Les scientifiques suivent les propres conceptions de la nature en développant des microprocesseurs ioniques, qui pourraient s’avérer particulièrement économes en énergie par rapport aux processeurs traditionnels à base de semi-conducteurs.
Comme publié dans Advanced Materials, une équipe de chercheurs de la John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) de Harvard, en collaboration avec la start-up biotechnologique DNA Script, a développé un circuit ionique comprenant des centaines de transistors ioniques. Ils y ont même exécuté un processus de base d’informatique en réseau neuronal – les wetwares deviennent de moins en moins un mot à la mode de la science-fiction.
La conception des processeurs ioniques vise à tirer les enseignements des systèmes de traitement de la biologie – en particulier les cerveaux – pour créer des processeurs qui utilisent l’électrochimie au lieu de l’électricité pour effectuer des calculs. La recherche décrit les processeurs ioniques comme une technologie susceptible d’être développée et mise à l’échelle vers l’avenir, où leurs conceptions économes en énergie pourraient être utiles pour certains scénarios de déploiement.
Il est encore tôt pour la technologie, car les chercheurs viennent de monter le premier circuit imprimé contenant en fait des centaines de transistors ioniques – jusqu’à présent, seuls des transistors ioniques uniques avaient été présentés. La recherche ouvre ainsi la voie à la création des processeurs réels en faisant fonctionner des centaines, des milliers, voire des millions, de transistors ioniques en tandem.
Le circuit ionique du chercheur a été créé en multipliant le nombre de transistors ioniques simples pouvant fonctionner ensemble. Leur conception de transistor ionique consiste en une solution aqueuse de molécules de quinone, interfacée avec deux électrodes annulaires concentriques (bleue et rouge) avec une troisième électrode de disque centrale (jaune), formant essentiellement une conception de transistor en forme de boudine.
En faisant passer la tension à travers le transistor, les deux électrodes annulaires concentriques sont capables de régler localement le pH de l’eau en augmentant ou en diminuant la quantité d’ions hydrogène présents dans celle-ci. Ce changement, un exploit d’électrochimie, permet l’utilisation du courant ionique du transistor comme interrupteur marche/arrêt – connu sous le nom de portail, dans les transistors dont nous avons l’habitude d’entendre parler. Cette porte du courant ionique par des changements dans le pH du transistor déverrouille la capacité des transistors à traiter les informations binaires.
Les chercheurs ont encore affiné la conception de leur microprocesseur en plaçant ces transistors analogiques (capables de représenter un 0 ou un 1) dans une grille matricielle 16 x 16. Cela a permis au processeur ionique d’effectuer des tâches de multiplication matricielle, le rapprochant des capacités d’un réseau de neurones et augmentant sa valeur pour les scénarios de traitement de l’intelligence artificielle qui pourraient nécessiter des exigences très spécifiques en matière d’équilibre performances/puissance.
« La multiplication matricielle est le calcul le plus répandu dans les réseaux de neurones pour l’intelligence artificielle », a déclaré Woo-Bin Jung, stagiaire postdoctoral à SEAS et premier auteur de l’article. « Notre circuit ionique effectue la multiplication de la matrice dans l’eau de manière analogique entièrement basée sur des machines électrochimiques. »
Le compromis est qu’ils sont plus lents – mais par rapport à la lumière, tout l’est. Les chercheurs espèrent maintenant continuer à développer leurs processeurs ioniques en leur permettant de tirer parti d’un plus grand nombre de réactions électrochimiques, comme l’augmentation des types d’ions manipulés pour traiter l’information. Les chercheurs peuvent encore être impatients de programmer des fonctions supplémentaires dans ces systèmes.
Cela, associé à l’augmentation du nombre de transistors disponibles, devrait permettre des gains de performances tout en ouvrant les processeurs ioniques à des tâches plus variées et à un véritable calcul spécifique ou général.
« Jusqu’à présent, nous n’avons utilisé que 3 à 4 espèces ioniques, telles que les ions hydrogène et quinone, pour permettre le déclenchement et le transport ionique dans le transistor ionique aqueux », a déclaré Jung. « Il sera très intéressant d’employer des espèces ioniques plus diversifiées et de voir comment on peut les exploiter pour enrichir le contenu des informations à traiter. »