Ordinateur optique imitant le cerveau

Technologies | 22 mai 2019

Par eeNews Europe

Comme le système fonctionne avec de la lumière au lieu d’électrons, il peut traiter les données beaucoup plus rapidement que les méthodes traditionnelles. L’approche pourrait être utilisée un jour dans de nombreux domaines pour évaluer les tendancesprovenant de l’analyse de grandes quantités de données.

Une technologie qui fonctionne comme le cerveau? Dans les applications les plus complexes, les ordinateurs d’aujourd’hui atteignent rapidement leurs limites. Une des raisons en est que leurs unités de calcul et leurs mémoires de données sont séparés de par leur conception. En conséquence, toutes les données doivent être échangées en permanence.

À cet égard, le cerveau a de nombreuses étapes d’avance sur les ordinateurs les plus modernes, car il traite et stocke les informations au même endroit: au niveau des synapses, connexions de cellules nerveuses, dont le cerveau en contient environ 100 000 milliards. Une équipe internationale de chercheurs a réussi à développer du matériel pouvant ouvrir la voie à des ordinateurs imitant le cerveau: les nanoscientifiques ont produit une puce sur laquelle s’étend un réseau de neurones artificiels fonctionnant à la lumière et pouvant imiter le comportement des neurones du cerveau .

Les chercheurs ont pu démontrer qu’un tel réseau neurosynaptique optique est capable d ‘ »apprendre » des informations et de les utiliser pour calculer et reconnaître des modèles – tout comme le cerveau. Étant donné que le système fonctionne exclusivement avec de la lumière au lieu d’électrons, il peut traiter les données beaucoup plus rapidement. « Ce système photonique intégré est une étape expérimentale. Cette approche pourrait par la suite être utilisée dans de nombreux domaines pour évaluer les tendances dans de grandes quantités de données, par exemple dans le diagnostic médical », déclare le professeur Wolfram Pernice, responsable de l’étude à l’université. de Münster (WWU).

Le principe présenté par les scientifiques fonctionne comme suit: Des guides d’ondes optiques sont placés sur des puces capables de transmettre la lumière. Les chercheurs ont équipé ces guides d’ondes avec des matériaux à changement de phase. De tels matériaux sont déjà utilisés aujourd’hui dans des supports de stockage tels que des DVD réinscriptibles.

Ils se caractérisent par le fait qu’ils changent de propriétés en fonction de l’état de phase dans lequel ils se trouvent. Les matériaux changent entre un état cristallin, dans lequel leurs atomes s’organisent de manière régulière, et un état amorphe, dans lequel leurs atomes s’organisent. de manière irrégulière. Le changement de phase peut être déclenché par la lumière, par exemple par un faisceau laser chauffant le matériau. « Parce que le matériau réagit si fortement et change radicalement ses propriétés, il est bien adapté pour imiter les synapses et le transfert d’excitation entre deux neurones », explique l’auteur principal Johannes Feldmann, qui a réalisé une grande partie des expériences dans le cadre de sa thèse de doctorat à la WWU.

Dans leur étude, les chercheurs ont réussi pour la première fois à combiner un grand nombre de matériaux à changement de phase nanostructurés dans un réseau neurosynaptique. Ils ont développé une puce avec quatre neurones artificiels et un total de 60 synapses. La structure de la puce, constituée de différentes couches, s’appuie sur la technique du multiplexage par répartition en longueur d’onde, processus dans lequel la lumière est transmise sur différents canaux au sein d’un nanocircuit optique.

Pour tester la capacité du système à reconnaître des modèles, les chercheurs ont « injecté » des informations sous forme d’impulsions lumineuses et ont appliqué deux algorithmes d’apprentissage automatique différents. Dans le cas des deux algorithmes utilisés – à la fois pour un apprentissage surveillé et non supervisé -, le réseau artificiel a finalement été capable de reconnaître un motif qui avait été recherché sur la base de motifs de lumière prédéfinis, comprenant quatre lettres consécutives.

« En travaillant avec des photons plutôt que des électrons, nous pouvons exploiter de manière optimale le potentiel connu des technologies optiques – non seulement pour transférer des données comme avant, mais également pour les stocker et les traiter au même endroit », souligne le co-auteur, le professeur Harish Bhaskaran. de l’Université d’Oxford.

En principe, un tel système pourrait être utilisé pour identifier automatiquement des cellules cancéreuses, par exemple. Cependant, d’autres étapes sont nécessaires avant de pouvoir développer de telles applications. Par exemple, les chercheurs doivent augmenter le nombre de neurones et de synapses artificiels et augmenter la profondeur des réseaux de neurones. Cela pourrait être fait avec des puces optiques fabriquées selon la technologie standard du silicium. « Cette étape aura lieu dans le projet commun européen Fun-COMP », déclare le professeur C. David Wright de l’Université d’Exeter, co-auteur et responsable du projet Fun-COMP.