Des scientifiques ont développé un composant pour un ordinateur neuromorphique

Les réseaux de neurones font partie des outils d'intelligence artificielle (IA) les plus importants: ils imitent le fonctionnement du cerveau humain et peuvent reconnaître de manière fiable les textes, le langage et les images, pour n'en citer que quelques-uns. Jusqu'à présent, ils travaillent sur des processeurs traditionnels sous la forme de logiciels adaptatifs, mais les experts travaillent sur un concept alternatif - un «ordinateur neuromorphique».

Dans ce cas, les points de commutation du cerveau - les neurones - ne sont pas modélisés dans le logiciel, mais sont reconstruits par des composants matériels. Une équipe de chercheurs de Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) a démontré une nouvelle approche pour un tel équipement - des ondes magnétiques ciblées qui sont générées et divisées en plaques micrométriques. En regardant vers l'avenir, cela pourrait signifier que les tâches d'optimisation et de reconnaissance de formes peuvent être effectuées plus rapidement et avec moins d'énergie. Les chercheurs ont présenté leurs résultats dans la revue Physical Review Letters.

Les scientifiques ont basé leurs recherches sur un minuscule disque de matériau magnétique fer-nickel, de seulement quelques micromètres de diamètre. Autour de ce disque se trouve un anneau en or: lorsqu'un courant alternatif de l'ordre du gigahertz le traverse, il émet des micro-ondes qui excitent les ondes dites de spin dans le disque.

«Les électrons du fer-nickel présentent un spin, une sorte de filage en place, plus comme une toupie», explique Helmut Schulheiss de HZDR. "Nous utilisons des impulsions micro-ondes pour faire tomber un peu le sommet des électrons." Les électrons transmettent alors cette perturbation à leurs voisins, ce qui oblige l'onde de spin à traverser le matériau. De cette manière, les informations peuvent être transmises très efficacement sans avoir à déplacer les électrons eux-mêmes, comme c'est le cas avec les puces informatiques modernes.

En 2019, les chercheurs ont découvert quelque chose de remarquable: dans certaines circonstances, une onde de spin générée dans un vortex magnétique peut être divisée en deux ondes, chacune avec une fréquence réduite.

«Les effets dits non linéaires en sont responsables», expliquent les scientifiques. "Ils ne s'activent que lorsque la puissance micro-ondes rayonnée dépasse un certain seuil." Ce comportement suggère que les ondes de spin sont des candidats prometteurs pour les neurones artificiels, car il existe un parallèle surprenant avec le fonctionnement du cerveau: ces neurones ne se déclenchent également que lorsqu'un certain seuil de stimulation est dépassé.

Cependant, au début, les scientifiques étaient incapables de contrôler très précisément la division de l'onde de spin. L'équipe a donc dû trouver un moyen de résoudre le problème qu'elle a maintenant décrit dans Physical Review Letters: en plus de l'anneau en or, une petite bande magnétique est attachée à la plaque magnétique. Un signal micro-ondes court génère une onde de spin dans cette bande, qui peut interagir avec l'onde de spin dans la plaque et ainsi agir comme une sorte de leurre.

L'onde de rotation dans la bande accélère la séparation de l'onde dans la plaque. «Un signal supplémentaire très court suffit pour que la séparation se produise plus rapidement», expliquent les chercheurs. "Cela signifie que nous pouvons maintenant démarrer le processus et contrôler le délai."

"La prochaine chose que nous voulons faire est de construire un petit réseau avec nos neurones à ondes de spin", disent les chercheurs. "Ce réseau neuromorphique doit alors effectuer des tâches simples telles que la reconnaissance de modèles simples."

La reconnaissance faciale et la reconnaissance de formes est l'une des principales applications de l'IA. Par exemple, la reconnaissance faciale sur un smartphone élimine le besoin de saisir un mot de passe. Pour que cela fonctionne, le réseau neuronal doit être formé à l'avance, ce qui nécessite une énorme puissance de calcul et d'énormes quantités de données. Les fabricants de smartphones transfèrent ce réseau vers une puce spéciale, qui est ensuite intégrée au téléphone portable. Mais la puce a un point faible. Il n'est pas réactif, il ne peut donc pas reconnaître les visages masqués, par exemple.

D'un autre côté, un ordinateur neuromorphique peut également faire face à des situations similaires: contrairement aux puces conventionnelles, ses composants ne sont pas câblés de manière rigide, mais fonctionnent comme des cellules nerveuses dans le cerveau. Grâce à cela, l'ordinateur neuromorphique peut traiter de grandes quantités de données en même temps, comme un humain, et en même temps, il est très économe en énergie. En plus de la reconnaissance de formes, le nouveau type d'ordinateur peut être utile dans un autre domaine économiquement significatif: pour les tâches d'optimisation, comme les planificateurs d'itinéraire de haute précision sur les smartphones.