La plateforme neuromorphique représente un bond en avant significatif en matière d'efficacité informatique

Des chercheurs de l'Institut indien des sciences (IISc) ont développé une plate-forme informatique analogique inspirée du cerveau, capable de stocker et de traiter des données dans un nombre étonnant de 16 500 états de conductance au sein d'un film moléculaire. Publié aujourd'hui dans la revue Naturecette avancée représente un énorme pas en avant par rapport aux ordinateurs numériques traditionnels dans lesquels le stockage et le traitement des données sont limités à seulement deux états.

Une telle plateforme pourrait potentiellement permettre d’exécuter des tâches d’IA complexes, comme la formation de modèles de langage volumineux (LLM), sur des appareils personnels comme les ordinateurs portables et les smartphones, nous rapprochant ainsi de la démocratisation du développement d’outils d’IA. Ces développements sont actuellement limités aux centres de données gourmands en ressources, en raison d’un manque de matériel économe en énergie. L’électronique au silicium étant proche de la saturation, la conception d’accélérateurs inspirés du cerveau qui peuvent fonctionner aux côtés des puces de silicium pour fournir une IA plus rapide et plus efficace devient également cruciale.

« Depuis plus d’une décennie, l’informatique neuromorphique a dû faire face à de nombreux défis non résolus », explique Sreetosh Goswami, professeur adjoint au Centre de nanosciences et d’ingénierie (CeNSE), IISc, qui a dirigé l’équipe de recherche. « Avec cette découverte, nous avons presque trouvé le système parfait, un exploit rare. »

L’opération fondamentale qui sous-tend la plupart des algorithmes d’IA est assez basique : la multiplication matricielle, un concept enseigné en mathématiques au lycée. Mais dans les ordinateurs numériques, ces calculs consomment beaucoup d’énergie. La plateforme développée par l’équipe de l’IISc réduit considérablement le temps et l’énergie nécessaires, rendant ces calculs beaucoup plus rapides et plus faciles.

Le système moléculaire au cœur de la plateforme a été conçu par Goswami, professeur invité au CeNSE. Lorsque les molécules et les ions se déplacent dans un film de matériau, ils créent d’innombrables états de mémoire uniques, dont beaucoup étaient jusqu’à présent inaccessibles. La plupart des appareils numériques ne peuvent accéder qu’à deux états (haute et basse conductance), sans pouvoir exploiter le nombre infini d’états intermédiaires possibles.

En utilisant des impulsions de tension précisément chronométrées, l'équipe de l'IISc a trouvé un moyen de tracer efficacement un nombre beaucoup plus grand de mouvements moléculaires et de cartographier chacun d'entre eux sur un signal électrique distinct, formant ainsi un « journal moléculaire » complet de différents états.

« Ce projet a réuni la précision de l'ingénierie électrique et la créativité de la chimie, nous permettant de contrôler la cinétique moléculaire de manière très précise à l'intérieur d'un circuit électronique alimenté par des impulsions de tension de l'ordre de la nanoseconde », explique Goswami.

En exploitant ces minuscules changements moléculaires, l’équipe a pu créer un accélérateur neuromorphique extrêmement précis et efficace, capable de stocker et de traiter des données au même endroit, à l’image du cerveau humain. De tels accélérateurs peuvent être intégrés de manière transparente à des circuits en silicium pour améliorer leurs performances et leur efficacité énergétique.

L’un des principaux défis auxquels l’équipe a dû faire face était de caractériser les différents états de conductance, ce qui s’est avéré impossible avec l’équipement existant. L’équipe a conçu un circuit imprimé personnalisé capable de mesurer des tensions aussi infimes qu’un millionième de volt, pour identifier ces états individuels avec une précision sans précédent.

L'équipe a également transformé cette découverte scientifique en prouesse technologique. Elle a pu recréer l'image emblématique des « Piliers de la Création » de la NASA à partir des données du télescope spatial James Webb, créées à l'origine par un superordinateur, en utilisant simplement un ordinateur de bureau. Elle a également pu le faire en une fraction du temps et de l'énergie nécessaires aux ordinateurs traditionnels.

L'équipe comprend plusieurs étudiants et chercheurs de l'IISc. Deepak Sharma a réalisé la conception du circuit et du système ainsi que la caractérisation électrique, Santi Prasad Rath s'est occupé de la synthèse et de la fabrication, Bidyabhusan Kundu s'est occupé de la modélisation mathématique et Harivignesh S a conçu un comportement de réponse neuronale bio-inspiré. L'équipe a également collaboré avec Stanley Williams, professeur à l'université Texas A&M et Damien Thompson, professeur à l'université de Limerick.

Les chercheurs estiment que cette avancée pourrait être l'un des plus grands progrès de l'Inde en matière de matériel d'IA, plaçant le pays sur la carte de l'innovation technologique mondiale. Navakanta Bhat, professeur au CeNSE et expert en électronique au silicium, a dirigé la conception des circuits et des systèmes dans le cadre de ce projet.

« Ce qui est remarquable, c’est la façon dont nous avons transformé la compréhension complexe de la physique et de la chimie en une technologie révolutionnaire pour le matériel d’IA », explique-t-il. « Dans le contexte de la Mission indienne des semi-conducteurs, ce développement pourrait changer la donne, révolutionner les applications industrielles, grand public et stratégiques. L’importance nationale de ces recherches ne peut être surestimée. »

Avec le soutien du ministère de l’Électronique et des Technologies de l’information, l’équipe de l’IISc se concentre désormais sur le développement d’une puce neuromorphique intégrée entièrement indigène.

« Il s'agit d'un effort entièrement local, depuis les matériaux jusqu'aux circuits et aux systèmes », souligne Goswami. « Nous sommes en bonne voie pour traduire cette technologie en un système sur puce. »