L’Université de Göteborg fait une percée dans les ordinateurs économes en énergie

L’Université de Göteborg (UoG) revendique une percée majeure dans le développement d’ordinateurs capables de fonctionner aussi efficacement que le cerveau humain.

Les recherches menées par des chercheurs de l’UoG ont réussi à combiner les fonctions de mémoire et de calcul dans le même composant. C’est la première fois que des chercheurs parviennent à connecter des réseaux d’oscillateurs et des memristors.

La découverte, émanant du projet de recherche Topspin (Topotronic Multi-Dimensional Spin Hall Nano-Oscillator Networks) mené dans le cadre d’une collaboration entre l’UoG et l’Université japonaise de Tohoko, a le potentiel de devenir le catalyseur pour créer des technologies plus efficaces dans le large spectre des téléphones mobiles, des drones et des véhicules autonomes.

« Trouver de nouvelles façons d’effectuer des calculs qui ressemblent aux processus éconergétiques du cerveau est un objectif important de la recherche depuis des décennies. Les tâches cognitives, comme la reconnaissance d’images et de voix, nécessitent une puissance informatique importante; et les applications mobiles, en particulier les téléphones mobiles, les drones et les satellites, nécessitent des solutions économes en énergie », a déclaré Johan Åkerman, professeur de spintronique appliquée au département de physique de l’UoG.

Les progrès réalisés pour fusionner les fonctions de mémoire et de calcul en un composant apparié fournissent une passerelle vers de nouvelles avancées où ces mêmes composants peuvent fonctionner davantage comme les réseaux neuronaux économes en énergie du cerveau, a déclaré Åkerman.

« Ces composants peuvent devenir des éléments de base importants à l’avenir pour développer davantage d’ordinateurs ressemblant à des cerveaux. Plus les calculs cognitifs peuvent être effectués de manière économe en énergie, plus les applications deviennent possibles », a déclaré Åkerman.

En février 2022, le département de physique de l’UoG a obtenu une subvention de validation de principe de 150 000 € du Conseil européen de la recherche (ERC) qui sera utilisée pour développer et commercialiser des avancées dans le domaine du projet de calcul neuromorphique Topspin dirigé par Åkerman. Le CER avait précédemment accordé une subvention de 2,5 millions d’euros au projet Topspin en mars 2019.

« Les ordinateurs d’inspiration quantique, tels que les machines d’Ising, se sont avérés capables de gérer le type de problèmes de calcul que les ordinateurs conventionnels d’aujourd’hui ne peuvent pas résoudre dans un délai raisonnable ou à une consommation d’énergie raisonnable. L’objectif de ce projet de recherche est de construire et de comparer une nouvelle machine d’Ising d’inspiration quantique entièrement magnétique basée sur des réseaux bidimensionnels de nano-oscillateurs dits spin-Hall », a déclaré Åkerman.

Dans le cadre du projet Topspin, des chercheurs de l’UoG et de l’Université de Tohoku ont pu montrer la première intégration d’un nano-élément informatique cognitif (le memristor) dans un autre – un oscillateur spintronique.

Les réseaux de ces oscillateurs contrôlés par memristor, qui fusionnent le stockage local non volatil de la fonction memristor avec le calcul de fréquence micro-ondes des réseaux de nano-oscillateurs, peuvent imiter de près les réseaux de neurones oscillatoires non linéaires du cerveau humain, a déclaré Shunsuke Fukami, professeur et chef de projet à l’Université de Tohoku.

« Jusqu’à présent, les neurones artificiels et les synapses ont été développés séparément dans de nombreux domaines. Ce nouveau travail marque une étape importante : deux éléments fonctionnels ont été combinés en un seul », a déclaré Fukami.

Les sauts de style quantique dans la direction des machines avancées de nouvelle génération signifient que les ordinateurs modernes ont été en mesure de s’attaquer à des tâches cognitives encore plus difficiles telles que le langage et la reconnaissance d’images. Le degré de progrès réalisé dans ce domaine a été considérablement amélioré grâce aux innovations basées sur l’intelligence artificielle.

L’une des principales découvertes du programme de recherche conjoint de l’UoG avec l’Université de Tohoko est la liaison des réseaux d’oscillateurs et des memristors, les deux principaux outils de calcul avancé. Les oscillateurs et les circuits oscillants ont la capacité d’effectuer des calculs complexes d’une manière comparable aux cellules nerveuses humaines. Les memristors, intégrant une mémoire intégrée, sont également capables de fonctionner comme des résistances programmables pour effectuer des calculs.

Comparable aux cellules mémoire, la capacité d’intégrer des oscillateurs et des memristors représente une énorme avancée dans la recherche qui a des implications de grande portée et des avantages en matière d’économie d’énergie pour les secteurs des technologies économes en énergie telles que les téléphones mobiles, a déclaré Åkerman.

« Des calculs plus économes en énergie pourraient conduire à de nouvelles fonctionnalités dans les téléphones mobiles. Un bon exemple est les assistants numériques comme Siri ou Google. Aujourd’hui, tout le traitement est effectué par des serveurs car les calculs nécessitent trop d’énergie par rapport à la taille d’un téléphone normal. Si les calculs pouvaient plutôt être effectués localement, sur le téléphone réel, ils pourraient être effectués plus rapidement et plus facile sans avoir besoin de se connecter à des serveurs », a déclaré Åkerman.

La recherche « révolutionnaire » de la Suède et du Japon

Le moment décisif pour l’UoG et son partenaire l’Université Tohoko s’est produit après une période soutenue de recherche et un financement important par des agences d’État en Suède et au Japon au cours de la période 2019-2021.

En Suède, le projet de recherche a reçu un financement partiel, sous forme de subventions, du Conseil suédois de la recherche (Vetenskapsrådet) et des programmes de recherche et d’innovation multicanaux Horizon 2020 (H2020) de l’Union européenne (UE). Avec un budget d’environ 80 milliards d’euros, le programme Horizon 2020 est le plus important des programmes-cadres de recherche et d’innovation de l’UE.

Les travaux de recherche de l’Université de Tohoku sont en grande partie financés par la Société japonaise pour la promotion de la science (Nihon Gakujutsu Shinkō Kai) avec un soutien financier supplémentaire fourni par RIEC Cooperative Research Projects, l’institut de recherche de la branche des communications électriques de l’Université de Tohoku.

L’augmentation du financement local en Suède et au Japon, combinée à l’accès au financement des subventions du CER, a contribué à renforcer les activités de recherche et les résultats de Topspin en 2019 et 2020.

En septembre 2020, le projet faisait déjà état de progrès dans le développement d’un nano-oscillateur à micro-ondes spintroniques à tension contrôlée en plus de nouvelles avancées dans le réglage de la fréquence micro-ondes et du courant seuil avec une consommation d’énergie négligeable à l’aide d’un champ électrique induit par la tension.

Parmi les principaux points d’intérêt du projet de recherche basés sur l’application figurait la nécessité d’identifier des modèles liés au contrôle mémristif de la synchronisation mutuelle des nano-oscillateurs Hall de spin pour l’informatique neuromorphique. Pour les chercheurs, la synchronisation des grands réseaux de nano-oscillateurs Hall (SHNO) offre une voie potentiellement attrayante vers un calcul ultrarapide non conventionnel.

Des défis importants restent à relever pour l’UoG et l’Université de Tohoku afin de réaliser de nouvelles avancées dans la recherche. Un obstacle important consiste à trouver des solutions réalisables dans le domaine de l’interfaçage avec la matrice, au réglage des oscillateurs individuels et à la fourniture d’unités de mémoire intégrées.

Des tests sont en cours à Göteborg pour démontrer que deux memristors contrôlés individuellement peuvent être utilisés pour régler une chaîne à quatre SHNO dans des états synchronisés différemment. Le contrôle mécanique est considéré comme une approche optimale pour saisir, régler et stocker l’état des baies SHNO pour les modèles informatiques non conventionnels.

Un objectif important intégré à Topspin est d’utiliser le projet pour déclencher un changement technologique des calculs numériques aux calculs basés sur des réseaux d’oscillateurs. L’objectif à court et à long terme est de démontrer des calculs à des fréquences supérieures à 100 GHz. Les circuits existants ont atteint des limites de vitesse proches de 4 GHz.

Un véritable défi pour les partenaires UoG et l’Université de Tohoku est de trouver des solutions qui peuvent accélérer le développement de neurones artificiels économes en énergie et accordables capables d’imiter des processus inspirés du cerveau.

La capacité du partenariat suédo-japonais à démontrer un nouvel oscillateur à micro-ondes spintronique à tension contrôlée, capable d’imiter de près les réseaux neuronaux oscillatoires non linéaires du cerveau humain, marque une étape importante dans l’atteinte des objectifs futurs du projet Topspin.