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Un nouveau dispositif Memristor défie le goulot d'étranglement de Von Neumann grâce à l'innovation ionique

SciTechDaily

Des chercheurs de l'EPFL ont développé un nouveau memristor nanofluidique, un dispositif qui imite le traitement efficace de l'information par les ions du cerveau. Contrairement aux memristor traditionnels qui utilisent des électrons, ce dispositif utilise une gamme d'ions, tels que le potassium, le sodium et le calcium, pour changer d'état de mémoire et stocker des données. Cette approche innovante pourrait conduire à des solutions de mémoire plus évolutives et plus performantes, voire à des circuits entièrement liquides pour des applications telles que les interfaces cerveau-ordinateur. Crédit : Issues.fr

Un nouveau memristor nanofluidique imite le traitement du cerveau en utilisant des ions, améliorant ainsi l'efficacité et l'évolutivité du calcul.

La mémoire, ou la capacité à stocker des informations de manière facilement accessible, est une fonction essentielle des ordinateurs et du cerveau humain. Cependant, il existe des différences fondamentales dans la manière dont ils traitent les informations. Alors que le cerveau humain effectue des calculs directement sur les données stockées, les ordinateurs doivent transférer les données entre une unité de mémoire et une unité centrale de traitement (CPU). Cette séparation inefficace, connue sous le nom de goulot d'étranglement de von Neumann, contribue à l'augmentation des coûts énergétiques des ordinateurs.

Développement de dispositifs nanofluidiques à mémoire de forme

Depuis plus de 50 ans, les chercheurs travaillent sur le concept de memristor (résistance mémoire), un composant électronique qui peut à la fois calculer et stocker des données, un peu comme un synapseAleksandra Radenovic, du Laboratoire de biologie à l'échelle nanométrique (LBEN) de la Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur de l'EPFL, a jeté son dévolu sur un projet encore plus ambitieux : un dispositif nanofluidique fonctionnel à mémoire de forme qui s'appuie sur des ions plutôt que sur des électrons et leurs homologues de charge opposée (les trous). Cette approche imiterait davantage la façon dont le cerveau humain traite l'information et serait donc plus économe en énergie.

Radenovic déclare : « Les memristors ont déjà été utilisés pour construire des réseaux neuronaux électroniques, mais notre objectif est de construire un réseau neuronal nanofluidique qui tire parti des changements de concentrations d'ions, à l'instar des organismes vivants. »

Synapses nanofluidiques artificielles

Des synapses nanofluidiques artificielles peuvent stocker la mémoire informatique. Crédit : ©EPFL 2024 / Andras Kis

« Nous avons fabriqué un nouveau dispositif nanofluidique pour les applications de mémoire, qui est nettement plus évolutif et beaucoup plus performant que les tentatives précédentes », explique Théo Emmerich, chercheur postdoctoral au LBEN. « Cela nous a permis, pour la toute première fois, de connecter deux de ces « synapses artificielles », ouvrant la voie à la conception de matériel liquide inspiré du cerveau. » Les recherches ont récemment été publiées dans Électronique naturelle.

Les memristors en pratique : le passage aux ions

Les memristors peuvent basculer entre deux états de conductance – activé et désactivé – grâce à la manipulation d'une tension appliquée. Alors que les memristors électroniques s'appuient sur des électrons et des trous pour traiter les informations numériques, le memristor du LBEN peut tirer parti d'une gamme d'ions différents. Pour leur étude, les chercheurs ont immergé leur dispositif dans une solution aqueuse électrolytique contenant des ions potassium, mais d'autres pourraient être utilisés, notamment le sodium et le calcium.

« Nous pouvons régler la mémoire de notre appareil en modifiant les ions que nous utilisons, ce qui affecte la façon dont il passe de l'état allumé à l'état éteint, ou la quantité de mémoire qu'il stocke », explique Emmerich.

Innovations dans la technologie de la mémoire

Le dispositif a été fabriqué sur une puce au Centre de micronanotechnologie de l'EPFL en créant un nanopore au centre d'une membrane en nitrure de silicium. Les chercheurs ont ajouté des couches de palladium et de graphite pour créer des nano-canaux pour les ions. Lorsqu'un courant traverse la puce, les ions s'infiltrent dans les canaux et convergent vers le pore, où leur pression crée une ampoule entre la surface de la puce et le graphite. Lorsque la couche de graphite est poussée vers le haut par l'ampoule, le dispositif devient plus conducteur, commutant son état de mémoire sur « on ». Comme la couche de graphite reste soulevée, même sans courant, le dispositif « se souvient » de son état précédent. Une tension négative remet les couches en contact, réinitialisant la mémoire à l'état « off ».

« Les canaux ioniques du cerveau subissent des changements structurels à l'intérieur d'une synapse, ce qui imite également la biologie », explique Yunfei Teng, étudiant au doctorat du LBEN, qui a travaillé sur la fabrication des dispositifs, baptisés canaux hautement asymétriques (HAC) en référence à la forme du flux ionique vers les pores centraux.

Nathan Ronceray, doctorant au LBEN, ajoute que l'observation en temps réel par l'équipe de l'action mémorielle du HAC est également une avancée inédite dans le domaine. « Comme nous avions affaire à un phénomène de mémoire complètement nouveau, nous avons construit un microscope pour l'observer en action. »

Orientations et applications futures

En collaboration avec Riccardo Chiesa et Edoardo Lopriore du Laboratoire d'électronique et de structures à l'échelle nanométrique, dirigé par Andras Kis, les chercheurs ont réussi à connecter deux HAC à une électrode pour former un circuit logique basé sur le flux ionique. Cette réussite représente la première démonstration d'opérations logiques numériques basées sur des dispositifs ioniques de type synapse. Mais les chercheurs ne s'arrêtent pas là : leur prochain objectif est de connecter un réseau de HAC à des canaux d'eau pour créer des circuits entièrement liquides. En plus de fournir un mécanisme de refroidissement intégré, l'utilisation de l'eau faciliterait le développement de dispositifs biocompatibles avec des applications potentielles dans les interfaces cerveau-ordinateur ou la neuromédecine.

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