Ordinateurs fongiques: comment les champignons alimentent les puces neuromorphiques

Un nouveau type d’ordinateur biologique

L’informatique a d’abord reposé sur la technologie analogique, qui emploie des signaux complexes et continus plutôt que les 1 et 0 bien distincts du numérique.

Source : Unison Audio

Un signal numérique est généralement plus facile à analyser, reproduire et transmettre. Un signal analogique représente en revanche mieux la complexité et les nuances du monde réel.

Les chercheurs se tournent donc de nouveau vers le calcul analogique pour l’IA, la détection et d’autres applications. Cela comprend les puces neuromorphiques qui imitent la manière dont le cerveau traite l’information.

Une autre voie consiste à employer de véritables tissus biologiques pour des tâches habituellement réservées aux puces en silicium. Des organoïdes cultivés à partir de neurones humains peuvent déjà effectuer des calculs. Associés à de nouvelles méthodes d’impression 3D de tissus cérébraux fonctionnels, ils pourraient ouvrir une catégorie entièrement nouvelle d’informatique biologique.

Des chercheurs de l’Ohio State University ont ajouté un autre composant à cette liste : un memristor neuromorphique organique capable de conserver la mémoire d’états électriques passés. Ils ne l’ont pas fabriqué avec des neurones, mais avec des champignons.

La découverte a été publiée dans PLOS One sous le titre « Memristors durables à base de mycélium de shiitake pour la bioélectronique haute fréquence ».

Pourquoi utiliser l’informatique neuromorphique ?

L’essor des NPU

Les unités de traitement neuronal (NPU), aussi appelées puces neuromorphiques, offrent plusieurs avantages sur les CPU et GPU traditionnels :

• Une conception plus flexible, dont l’architecture peut s’adapter aux données d’entraînement.
• Une consommation parfois réduite au centième de celle d’un GPU comparable.
• Moins de chaleur, ce qui atténue le défi croissant du refroidissement des centres de données d’IA.

(Vous pouvez en savoir plus sur le matériel spécialisé en IA, y compris les NPU, dans notre rapport dédié.)

« Des micropuces qui imitent réellement l’activité neuronale n’ont pas besoin de beaucoup d’énergie en veille ou lorsqu’elles ne sont pas utilisées.

Cela pourrait représenter un avantage informatique et économique considérable. »

John LaRocco – chercheur en psychiatrie au College of Medicine de l’Ohio State

Plusieurs méthodes sont actuellement étudiées pour créer des puces neuromorphiques :

• Exploiter la ferroélectricité incipiente, un phénomène encore mal compris.
• Substrat actif utilisant du vanadium ou du titane.
• Employer des memristors, une nouvelle catégorie de composant capable d’exécuter des tâches d’IA avec seulement un huit-centième de la consommation habituelle.

Comment les memristors imitent les synapses

Les memristors sont des composants qui imitent les synapses reliant les neurones en conservant l’état électrique dans lequel ils se trouvaient lorsque l’alimentation a été coupée.

Cela réduit fortement l’énergie et le temps perdus à déplacer les données entre processeur et mémoire.

L’un des principaux atouts des memristors est leur apprentissage in situ efficace et auto-adaptatif, essentiel à la robotique et aux véhicules autonomes.

Leur faible consommation est particulièrement utile dans ces domaines. Les systèmes hybrides analogiques-numériques peuvent limiter l’énergie utilisée sans réduire la réactivité.

Le problème est que les memristors électroniques reposent encore sur des technologies récentes, aux rendements de production faibles et aux performances peu fiables.

Employer de vrais neurones, comme dans les organoïdes, est possible, mais ces cellules sont fragiles et difficiles à cultiver.

Les neurones ne sont toutefois pas les seuls tissus biologiques capables de traiter des signaux électriques et d’y répondre.

Le mycélium des champignons constitue une autre possibilité. Robuste, il peut être cultivé dans des bioréacteurs et milieux nutritifs plus simples que ceux nécessaires aux neurones et organoïdes.

Construire des ordinateurs avec des champignons ?

Les matériaux fongiques forment dynamiquement des voies conductrices sous l’effet de stimuli électriques, à la manière des filaments des memristors conventionnels.

Cette adaptabilité peut améliorer les applications neuromorphiques grâce à des états de résistance variables qui reproduisent plus fidèlement le comportement des synapses.

Les matériaux organiques fonctionnent aussi à plus faible tension tout en conservant une commutation stable, même par rapport aux memristors électroniques déjà bien moins énergivores que l’informatique traditionnelle.

Cela pourrait être déterminant pour l’électronique portable et les objets connectés disposant de très peu d’énergie.
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Pourquoi les champignons comestibles conviennent au calcul

Les chercheurs ont utilisé des champignons de Paris et des shiitakes comestibles et médicinaux, deux espèces peu coûteuses dont la culture est bien maîtrisée.

Une fois activé, le shiitake présente une structure carbonée poreuse susceptible d’améliorer les performances électrochimiques. Cela en fait un candidat pour les supercondensateurs et potentiellement les memristors.

Sa résistance aux rayonnements est également intéressante pour l’aérospatiale, où les puces peuvent être endommagées par les UV et le vent solaire.

Réponse électrique des champignons

Les chercheurs ont connecté la masse fongique après l’avoir déshydratée.

Source : PLOS One

Ils ont ensuite appliqué différentes tensions, formes d’onde et fréquences afin d’évaluer les propriétés de memristor.

Le signal analogique obtenu présentait de fortes caractéristiques memristives et reproduisait le signal numérique.

Source : PLOS One

Une commutation rapide à 5 850 Hz, une précision de 90 % (±1 %), une faible consommation, un poids réduit et la résistance aux rayonnements rendent ces memristors attractifs pour l’edge computing, l’aérospatiale et les systèmes embarqués.

La précision diminuait toutefois avec la fréquence, de sorte que cette méthode ne peut probablement pas traiter tous les types de signaux.

Le procédé ne produit que des matériaux biodégradables—le shiitake alimentaire pousse sur des copeaux de bois—et n’exige ni terres rares ni matériaux toxiques, contrairement aux puces classiques.

Potentiel futur

Cette première étude comportait deux limites :

• Les essais n’ont duré que deux mois ; la capacité à long terme reste à vérifier.
• La production était réalisée en masse, alors qu’une application réelle nécessiterait une microculture du mycélium dans un environnement dédié, plus petit et mieux contrôlé.

Il s’agit donc d’une preuve de concept montrant qu’une informatique fongique, aussi inhabituelle soit-elle, peut fonctionner de manière fiable.

Les futurs dispositifs utiliseront probablement des cultures plus régulières dans des gabarits et structures imprimés en 3D donnant au shiitake la géométrie voulue.

Des contacts électriques intégrés à la structure de culture imprimée en 3D pourraient aussi faciliter la programmation.

Une utilisation prolongée nécessitera une conservation par déshydratation, dessiccation, lyophilisation, hydrogel ou revêtement spécial.

L’idée de fabriquer des memristors uniquement avec un matériau organique, résistant, bon marché et biodégradable reste particulièrement prometteuse.

Investir dans la bio-impression

BICO Group AB (BICO.ST)

À mesure que l’informatique biologique progresse, l’impression 3D de tissus vivants devrait devenir un outil de plus en plus utilisé, d’abord en recherche puis pour fabriquer les dispositifs eux-mêmes.

Cellink est l’un des leaders du secteur et ses machines sont utilisées par des chercheurs du monde entier.

Source : Cellink

En 2021, Cellink est devenue BICO Group après l’acquisition de Cytena en 2019 et de Scienion en 2020.

Cellink reste la marque dédiée à la bio-impression. Cette technologie pourrait aussi produire des tissus ou organes 3D à la demande. Voir « Imprimer des organes humains en 3D : est-ce réaliste ? ».

La bio-impression représente environ un cinquième de l’activité, tandis que l’automatisation des biosciences, notamment l’imagerie d’échantillons biologiques, génère plus de trois cinquièmes du chiffre d’affaires.

Source : BICO Group AB

À long terme, les entreprises de bio-impression pourraient passer de la fourniture d’outils de recherche à la production de traitements bio-imprimés pour les laboratoires pharmaceutiques.

Le nombre de bio-imprimantes et surtout le volume mensuel de consommables changeraient alors radicalement.

La même évolution s’est produite avec d’autres équipements de laboratoire, notamment les séquenceurs de PacBio (PACB) et d’Illumina (ILMN), qui tirent jusqu’à 80 % de leurs revenus des consommables récurrents.

BICO n’étant pas uniquement dépendante de ce domaine, elle peut améliorer la technologie jusqu’à atteindre une masse critique tout en gagnant de l’argent et en développant son réseau grâce à ses produits plus matures d’automatisation des biosciences.