Des ordinateurs reconfigurables qui fonctionnent comme votre cerveau

Des ingénieurs de l'Institut indien des sciences ont récemment dévoilé une puce informatique de nouvelle génération capable de passer d'une tâche de calcul à une autre par simple modification de sa composition chimique. Inspirée du cerveau humain, cette nouvelle conception ouvre la voie à de futurs systèmes d'IA qui non seulement apprennent, mais intègrent des connaissances. Voici ce qu'il faut savoir.

Pour façonner l'avenir de l'informatique, il est indispensable de sortir des sentiers battus. Face aux limites théoriques des puces, de nouvelles approches doivent être mises en œuvre pour continuer à accroître la puissance de calcul.

Fabrication de puces

Pour développer des puces plus rapides et plus petites destinées aux appareils électroniques de nouvelle génération, le silicium est considéré comme la solution privilégiée. Ce semi-conducteur abondant et bon marché offre une mobilité des porteurs de charge acceptable, ce qui lui permet de se comporter à la fois comme isolant et comme conducteur lorsqu'il est combiné à d'autres matériaux et qu'un courant électrique lui est appliqué.

De plus, le silicium oxydé (silice) peut être cultivé en feuilles minces permettant la réalisation de circuits multicouches. Cette propriété en fait un matériau idéal pour les applications micro- et nanoélectroniques actuelles. Cependant, ce matériau présente aussi des inconvénients majeurs.

Le traitement du silicium peut être nocif pour l'environnement en raison des produits chimiques utilisés. De plus, il présente des limites pour l'intégration de la nanoélectronique. Les dispositifs dont la longueur de grille est inférieure à 7 nm peuvent subir de nombreuses interférences. Ces interruptions peuvent avoir diverses origines, notamment les fuites de signal et l'effet tunnel quantique.

Nanoélectronique

La nanoélectronique représente la prochaine étape de la miniaturisation. Ces dispositifs, dont la taille est inférieure à 100 nm, sont si petits qu'ils sont plus sensibles à la mécanique quantique qu'à la physique classique. Ces interactions peuvent engendrer des modifications d'interface et d'autres réponses non linéaires, dues à la complexité du fonctionnement à cette échelle.

Calcul neuromorphique

Lorsqu'on miniaturise un circuit à l'échelle nanométrique, il devient extrêmement difficile de s'appuyer sur des processus mécaniques pour accomplir des tâches. C'est pourquoi les ingénieurs se sont tournés vers l'informatique neuromorphique pour stocker des informations et effectuer des calculs. Ces dispositifs s'inspirent du fonctionnement du cerveau.

Les ordinateurs neuromorphiques utilisent des matériaux à base d'oxydes et la commutation par filaments pour effectuer des calculs. Cette structure miniaturise l'approche informatique actuelle pour imiter l'apprentissage. Cette stratégie diffère de la création d'un dispositif intégrant intrinsèquement les données dans sa structure même.

Par conséquent, les scientifiques ont déployé des efforts considérables pour créer un matériau avancé capable de stocker, de traiter et de s'adapter aux données sans modifier sa surface physique. Cependant, les mécanismes complexes de création d'une telle structure restent encore à élucider.

Électronique moléculaire

Ce désir de créer des machines encore plus petites et plus polyvalentes a conduit les ingénieurs en électronique moléculaire à tenter de documenter les interactions atomiques et les actions quantiques dans le but ultime de pouvoir prédire ces résultats avec une grande précision.

Cette tâche paraissait pourtant impossible. Du moins jusqu'à ce mois-ci, lorsqu'une équipe de scientifiques a publié une étude révolutionnaire démontrant comment il était possible de prédire et de contrôler ces actions de manière fiable.

Étude sur les ordinateurs reconfigurables

Les ingénieurs et les scientifiques du Centre for Nano Science and Engineering (CeNSE) en Inde viennent de réécrire le manuel d'électronique moléculaire avec le «Memristors conçus au niveau moléculaire pour des fonctionnalités neuromorphiques reconfigurables¹” étude.

La source - Matériaux avancés

Cet article rassemble les avancées récentes en génie électrique, chimique et physique pour créer des dispositifs nanométriques capables d'adapter leur composition chimique afin de remplir plusieurs rôles, notamment celui d'unités de mémoire, de portes logiques, de processeurs ou de synapses électroniques.

Dispositifs moléculaires adaptables

Le succès de cette étude démontre que la chimie peut non seulement faciliter les activités informatiques, mais aussi les rendre possibles. De plus, cette adaptabilité permet à un même dispositif de fonctionner à la fois comme unité de mémoire et comme unité de calcul, sans ajout de matière ni modification de sa forme physique.

Cadre prédictif

L'une des premières étapes pour les ingénieurs a consisté à trouver un moyen de prédire l'influence des modifications chimiques sur le transport électrique. Plus précisément, ils ont développé un algorithme de modélisation quantique capable de suivre avec précision le déplacement des molécules à travers le film.

L'algorithme intégrait de nombreuses autres données pertinentes, notamment l'influence de l'oxydation et de la réduction sur chaque molécule et leurs interactions au sein de la matrice moléculaire globale. Ces données ont ensuite permis de déterminer la stabilité globale des molécules, en enregistrant en temps réel tout déplacement des contre-ions.

Grâce à leur algorithme prédictif, les ingénieurs ont commencé à exploiter ce comportement de commutation pour anticiper les différentes fonctions d'un dispositif, du stockage aux opérations de calcul, entre autres. Cet algorithme leur permet d'ajuster avec précision l'environnement moléculaire local et les interactions intermoléculaires à l'aide de complexes organiques de ruthénium.

Réponses mémristives

En s'appuyant sur l'algorithme, l'équipe a réussi à moduler par programmation un circuit unique. De manière impressionnante, elle a pu réaliser plusieurs modalités, notamment la mémoire numérique, analogique, binaire et ternaire.

Pour ce faire, il a fallu ajuster les ligands et les ions entourant les molécules de ruthénium. Cette adaptabilité a été étendue à différentes valeurs de conductance, permettant de reconfigurer dynamiquement les capacités du dispositif à semi-conducteurs.

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Test d'ordinateurs reconfigurables

Pour tester leur théorie, les scientifiques ont dû créer des complexes de ruthénium spécialement conçus à cet effet. Ils en ont synthétisé avec succès 17 pour cette étude, ce qui leur a permis de suivre des variations infimes de la configuration moléculaire et des paramètres ioniques.

La fabrication du dispositif a été dirigée par Pallavi Gaur. Selon elle, le dispositif peut basculer entre le stockage, le calcul et la reconfiguration sans modification matérielle. Cette capacité rapproche considérablement le dispositif du fonctionnement du cerveau humain, faisant ainsi progresser la science de l'informatique neuromorphique.

Résultats des tests sur les ordinateurs reconfigurables

Les résultats des tests ont confirmé la théorie de l'ingénieur selon laquelle il est possible de combiner mémoire et calcul au sein d'un même matériau. Ils ont également démontré comment la chimie peut être utilisée pour effectuer des calculs et non pas seulement pour compléter les composants actifs d'un dispositif. Par conséquent, ces travaux associent le nanocalcul et le génie chimique pour ouvrir la voie à des dispositifs quantiques plus petits et plus performants.

Avantages des ordinateurs reconfigurables

L'étude des ordinateurs reconfigurables présente plusieurs avantages pour le marché. Elle ouvre notamment la voie à une électronique à l'échelle nanométrique inédite. Auparavant, la miniaturisation de ces dispositifs était limitée par leur fiabilité, qui était compromise par la présence de pièces mobiles. En effet, il était impossible de déterminer leur fonctionnement à cette échelle.

Cette nouvelle approche permet à un dispositif à semi-conducteurs d'effectuer de multiples tâches de calcul, comme servir d'élément de mémoire, de porte logique, de sélecteur, de processeur analogique ou de synapse électronique. Cette flexibilité aidera les ingénieurs à concevoir des dispositifs plus performants et plus légers.

Moins d'interférences

Cette structure réduit également les interférences dues à l'effet tunnel quantique et à d'autres problèmes liés aux dispositifs à l'échelle moléculaire. Plus un dispositif est petit, plus il est sensible aux interférences extérieures. Si l'on combine ce constat avec la miniaturisation des dispositifs, on comprend aisément pourquoi cette approche est considérée comme révolutionnaire par la plupart des chercheurs.

Conductance ajoutée

Un autre avantage majeur réside dans l'augmentation de la conductivité. Le silicium pur n'est ni un excellent conducteur ni un excellent isolant. De ce fait, il nécessite l'ajout d'adjuvants et d'autres substances chimiques pour améliorer ses performances. Cette nouvelle conception offre une fiabilité accrue et supporte une conductivité bien supérieure. Plus précisément, les scientifiques ont constaté une amélioration de six ordres de grandeur.

Ordinateurs reconfigurables : applications concrètes et chronologie

Plusieurs applications des ordinateurs reconfigurables pourraient simplifier la vie de millions de personnes. À terme, ils seront notamment utilisés dans les applications d'intelligence artificielle. Les systèmes d'IA nécessitent le transfert de quantités massives de données entre les appareils et les référentiels.

Actuellement, un infime décalage existe entre la logique de calcul et la mémoire, engendrant un délai. Plus la charge de calcul augmente, plus ce délai s'accroît, ralentissant ainsi les calculs. Cette approche permettrait de s'affranchir de la séparation entre la logique, la mémoire et les autres tâches essentielles, un seul appareil pouvant ainsi effectuer instantanément la conversion entre chacune d'elles selon les besoins.

Dispositifs médicaux de nouvelle génération

Le domaine médical est un autre secteur où cette technologie pourrait avoir un impact majeur. Les implants et autres dispositifs internes pourraient être miniaturisés et comporter moins de pièces mobiles. Cette approche les rendrait moins invasifs et permettrait d'intégrer une puissance de calcul supplémentaire si nécessaire.

Chronologie des ordinateurs reconfigurables

Il faudra peut-être attendre 7 à 10 ans avant de voir apparaître un ordinateur reconfigurable. Ces dispositifs feront d'abord leur apparition dans les grands systèmes d'IA, contribuant à réduire leurs coûts d'exploitation et à améliorer leur efficacité. Cependant, de nombreux tests et développements restent à mener, ainsi que la recherche d'un fabricant capable de produire ces dispositifs à grande échelle.

Chercheurs en ordinateurs reconfigurables

Cette étude sur les ordinateurs reconfigurables a été réalisée par une équipe de chercheurs de l'Institut indien des sciences. Elle était dirigée par Sreetosh Goswami, professeur adjoint au Centre de nanoscience et d'ingénierie (CeNSE).

La synthèse moléculaire a été réalisée par Pradip Ghosh, boursier Ramanujan, et Santi Prasad Rath. Shayon Bhattacharya, Lohit T, Harivignesh S et Damien Thompson ont également contribué à l'article.

L'avenir des ordinateurs reconfigurables

Les chercheurs ont fort à faire. Ils étudient actuellement comment intégrer cette technologie aux stratégies actuelles de fabrication des puces CMOS. Leur objectif final est de créer des dispositifs dotés d'une intelligence embarquée, améliorant ainsi leurs performances, leur stabilité et leur efficacité.

Investir dans le domaine du calcul en mémoire

Plusieurs entreprises du secteur de la fabrication de semi-conducteurs présentent des opportunités d'investissement intéressantes. Ces sociétés ont constaté une demande croissante pour leurs produits innovants, l'intelligence artificielle et les systèmes de calcul haute performance se généralisant. Voici un fabricant qui est resté à la pointe de la technologie de la fonderie de semi-conducteurs.

GSI Technology (GSIT)

Alors que l'étude mentionnée ci-dessus met en lumière l'avenir de l'informatique moléculaire, GSI Technology commercialise aujourd'hui la version sur silicium de ce concept. GSI est le concepteur de l'unité de traitement associatif (APU), une technologie qui révolutionne le traitement des données par les ordinateurs en effectuant des calculs directement. en place au sein de la matrice de mémoire — un concept connu sous le nom de « Calcul en mémoire » (CIM).

Cette architecture résout le problème de « goulot d'étranglement de von Neumann » mentionné dans l'étude (le délai causé par la séparation de la logique et de la mémoire). En éliminant les transferts de données entre le processeur et la RAM, l'APU Gemini® de GSI offre une accélération considérable pour les charges de travail d'IA et de recherche.

Des tests de performance récents validés par l'Université Cornell ont confirmé que l'APU de GSI peut égaler les performances des GPU haut de gamme (comme le NVIDIA A6000) pour des tâches d'IA spécifiques tout en consommant environ 98 % d'énergie en moins.

GSI Technology, dont le siège social est situé à Sunnyvale, en Californie, est cotée au NASDAQ. Ses produits de mémoire durcie aux radiations sont déjà incontournables dans les secteurs de l'aérospatiale et de la défense, assurant ainsi une base de revenus stable tandis qu'elle déploie ses puces d'IA de pointe sur un marché plus large.

Ceux qui recherchent une entreprise nord-américaine spécialisée dans l'avenir de l'informatique axée sur la mémoire devraient s'intéresser à GSI Technology. Cette société représente un pont concret entre le silicium traditionnel et l'avenir de l'« intelligence embarquée » envisagé par les chercheurs.

Dernières actualités et performances de GSI Technology (GSIT)

Ordinateurs reconfigurables | Conclusion

La capacité à créer des ordinateurs reconfigurables change la donne. À l'avenir, vos appareils pourraient devenir extrêmement fiables et durables, car toutes les pièces mobiles seront remplacées par des interactions chimiques. De plus, cette technologie ouvre la voie à des conceptions beaucoup plus petites et complexes, reposant non plus sur des composants mécaniques, mais sur des réactions chimiques organiques.

Tous ces facteurs, et bien d'autres, font de cette étude sur l'ordinateur reconfigurable une avancée majeure susceptible d'inaugurer une nouvelle ère d'intégration de l'informatique et de l'IA. De ce fait, ces travaux suscitent un vif intérêt. Pour l'instant, l'équipe se concentre sur l'optimisation des processus de fabrication et la réduction des coûts et de la complexité de la production.

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Références

^{1. Gaur, P., Kundu, B., Ghosh, P., Bhattacharya, S., T, L., S, H., Rath, SP, Thompson, D., Goswami, S., & Goswami, S. Memristors conçus moléculairement pour des fonctionnalités neuromorphiques reconfigurables. Advanced Materials, e09143. https://doi.org/10.1002/adma.202509143}