L’orientation future du calcul de l’IA est-elle des « puces à eau » ?

L'avenir de l'informatique sur les réseaux neuronaux pourrait être pire que prévu - pas une puce solide utilisant de l'électricité, mais trempée dans l'eau.

Récemment, une équipe composée de la Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) et de la startup DNA Script a développé avec succès un processeur basé sur le mouvement des ions en solution aqueuse.

Les physiciens pensent que de tels appareils pourraient constituer la prochaine étape de l'informatique inspirée du cerveau, car ils sont plus proches de la manière dont le cerveau transmet les informations.

"Les circuits ioniques dans les solutions aqueuses utilisent des ions comme porteurs de charge pour le traitement du signal", expliquent les chercheurs dans l'article. "Nous avons proposé un circuit ionique à base d'eau... Ce circuit ionique fonctionnel capable de calculs analogiques est une étape vers une technologie ionique à base d'eau plus complexe.

La recherche a été publiée dans un numéro récent de la revue scientifique des matériaux." Matériaux avancés. Nous savons que les puces des smartphones aux serveurs cloud sont fabriquées à partir de semi-conducteurs solides qui manipulent des électrons. effectuer des tâches informatiques n’est pas la même chose que le fonctionnement des êtres vivants.

Une partie importante de la transmission du signal dans le cerveau est le mouvement de molécules chargées appelées ions dans un milieu liquide. Bien que l’incroyable puissance de traitement du cerveau soit difficile à reproduire artificiellement, les scientifiques pensent que les ordinateurs pourraient utiliser un système similaire : transporter des ions dans une solution aqueuse.

Cette approche sera plus lente que l'informatique traditionnelle basée sur silicium en raison du changement de support, mais elle peut présenter des avantages intéressants. Par exemple, les ions peuvent être produits à partir de diverses molécules, chacune possédant des propriétés différentes qui peuvent être exploitées de différentes manières.

Mais d’abord, les scientifiques doivent prouver que cela fonctionne réellement.

Une équipe dirigée par le physicien de l'Université Harvard Woo-Bin Jung travaille dans cette direction. La première étape de la construction d’un ordinateur consiste à concevoir un transistor ionique fonctionnel, un dispositif qui commute ou améliore les signaux. Leur dernière avancée consiste à combiner des centaines de transistors dans un circuit ionique.

Le transistor est constitué d'un agencement d'électrodes en forme de cible, avec une petite électrode en forme de disque au centre et deux électrodes concentriques en forme d'anneau qui l'entourent. Celui-ci entre en contact avec une solution aqueuse de molécules de quinone. Lorsqu'elle est utilisée, une tension appliquée au disque central génère un courant d'ions hydrogène dans la solution de quinone. Dans le même temps, deux électrodes annulaires ajustent le pH de la solution, augmentant ou diminuant ainsi le courant ionique.

Chip (à gauche), avec un réseau de centaines de transistors (à droite) au centre (au milieu).

La quinone est un type de composé organique contenant une structure conjuguée de cyclohexadiènedione ou de cyclohexadiènediméthylène. Les transistors basés sur cette substance exécutent des "paramètres de poids et la multiplication physique de la tension du disque produit la réponse au courant ionique

Vous le savez peut-être. le concept d'« ordinateur biologique », qui fait référence à l'utilisation de matériaux biologiques pour remplacer les puces semi-conductrices et les supports de stockage utilisés dans les ordinateurs actuels, considéré comme extérieur à l'informatique quantique, une autre orientation majeure pour l'avenir des ordinateurs. Mais de nombreuses recherches antérieures se sont concentrées sur des diodes ioniques et des transistors individuels, plutôt que sur des circuits contenant de nombreux dispositifs de ce type. Les réseaux de neurones actuels qui nécessitent une puissance de calcul extrêmement élevée s'appuient fortement sur des opérations de multiplication matricielle, qui impliquent des multiplications multiples. L’équipe a donc conçu un réseau de 16 x 16 transistors, chacun capable de se multiplier, pour produire un circuit ionique capable d’effectuer une multiplication matricielle. Ils sont implémentés à la surface et exploités par des puces électroniques à semi-conducteurs à oxyde métallique complémentaire (CMOS).

Les chercheurs ont démontré le caractère pratique de ce circuit ionique à l'échelle d'un réseau en effectuant des opérations physiques ou simulées de multiplication-accumulation (MAC). Opérations MAC analogiques basées sur des phénomènes physiques - Contrairement aux opérations MAC numériques basées sur de nombreuses portes logiques numériques et sur l'algèbre booléenne, de nouvelles méthodes ouvrent la voie à la réduction de la consommation électrique des réseaux de neurones artificiels.

Schéma d'un transistor ionique.

Puisque chaque conductance de point de croisement agit comme un poids synaptique du réseau, la tension d'entrée introduite dans les lignes du réseau est multipliée par la loi d'Ohm avec des poids , et accumule les courants résultants dans chaque colonne selon la loi de Kirchhoff. Par conséquent, chaque courant de colonne est physiquement produit sous la forme d'un produit scalaire entre le vecteur de données d'entrée et le vecteur de poids synaptique de la colonne.

Dans chaque transistor ionique, le courant Iout de la tension appliquée Vin est déclenché par Ig, et nous pouvons trouver une région de Vin où Iout = W × Vin, Le la constante de proportionnalité ou le poids W peut être ajusté par Ig, c'est-à-dire la région dans laquelle le transistor ionique se multiplie physiquement entre le poids et la tension d'entrée.

Multiplier et accumuler l'opération.

"La multiplication matricielle est le calcul le plus couramment utilisé dans les réseaux de neurones de l'intelligence artificielle. Notre circuit ionique est entièrement basé sur la simulation mécanique électrochimique. moyen d'effectuer une multiplication matricielle dans l'eau", a déclaré Woo-Bin Jung.

Bien entendu, cette technologie présente actuellement des limites importantes, notamment le fait que les opérations doivent être effectuées de manière séquentielle plutôt que simultanée, ce qui ralentit considérablement la vitesse du procédé.

Cependant, l'équipe de recherche estime que la prochaine étape n'est pas d'augmenter la vitesse, mais d'introduire une gamme plus large de molécules dans le système. Jusqu'à présent, l'équipe n'a utilisé que trois ou quatre espèces ioniques, telles que les ions hydrogène et quinone, pour réaliser le déclenchement et le transport des ions dans les transistors ioniques aqueux. Cette recherche tente de réaliser des calculs d'ions plus complexes et de permettre aux circuits de traiter des informations plus complexes.

L'équipe de recherche a souligné : Le but ultime de cette recherche n'est pas d'utiliser la technologie ionique pour concurrencer ou remplacer les produits électroniques, mais d'utiliser la technologie hybride pour compléter chacun les atouts des autres.

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