Les neurones artificiels pourraient être aussi efficaces que le cerveau humain

• Des chercheurs du MIT ont conçu un neurone artificiel à partir de nanofils supraconducteurs.
• En théorie, un simple circuit de ces neurones peut fonctionner aussi efficacement que le cerveau humain.
• Le réseau peut effectuer cent mille milliards d'opérations synaptiques par seconde et par watt.

L'appareil informatique le plus fascinant connu de la science est le cerveau humain. Il peut effectuer diverses opérations complexes à l'aide de groupes d'un seul composant - le neurone.

Contrairement aux processeurs modernes qui fonctionnent à des vitesses de gigahertz, le cerveau fonctionne à une vitesse d'horloge de quelques hertz seulement. Cependant, il effectue des milliards de calculs par seconde [en parallèle], ce qui permet aux humains de faire des choses complexes avec une facilité que les ordinateurs traditionnels n'ont pas encore réalisé :converser, marcher, conduire, etc.

Comparé aux appareils informatiques d'aujourd'hui, notre cerveau consomme très peu d'énergie pour effectuer ces tâches. Par conséquent, les chercheurs tentent d'imiter les performances informatiques du cerveau humain en utilisant des réseaux de neurones efficaces. Bien que les microprocesseurs traditionnels puissent être programmés pour agir comme des réseaux de neurones, ils utilisent des quantités excessives de ressources de calcul et d'énergie.

Pour s'attaquer à ce problème, les informaticiens du MIT ont eu une idée :créer des neurones artificiels et les relier entre eux dans des réseaux semblables à ceux du cerveau humain. Pour mettre en œuvre cette conception, ils ont conçu un neurone artificiel à partir de nanofils supraconducteurs.

L'appareil constitué de ces neurones artificiels peut fonctionner aussi efficacement que le cerveau humain (du moins en théorie).

Caractéristiques principales d'un neurone artificiel

Les neurones biologiques génèrent des pointes électriques pour coder des informations, qui se déplacent le long du nerf. L'information est transmise à un autre neurone via des synapses (une jonction entre deux cellules nerveuses).

Les autres neurones peuvent soit transmettre soit bloquer cette information. En effet, ils peuvent se comporter comme des portes logiques, générant une sortie en réponse à plusieurs entrées.

Ces neurones ne se déclenchent que si l'impulsion électrique entrante dépasse une valeur seuil. Ils ne peuvent pas tirer à nouveau avant qu'un laps de temps spécifique ne se soit écoulé, appelé période réfractaire.

Source :arXiv:1907.00263

Les nouveaux nanofils supraconducteurs imitent toutes ces caractéristiques des neurones biologiques. Ils ont une étrange propriété non linéaire qui permet à la supraconductivité du nanofil de se briser lorsqu'un courant supérieur à un niveau seuil le traverse.

Cela se produit en raison de l'augmentation soudaine de la résistance, qui crée une impulsion de tension analogue au pic électrique dans le neurone biologique. Il peut être utilisé pour moduler une autre impulsion générée par un deuxième nanofil, ce qui rend la simulation encore plus précise.

Source de l'image :Adobe Stock 

Ainsi, un simple circuit composé de nanofils peut imiter les principales caractéristiques des neurones, notamment le seuil de déclenchement, le temps de trajet (peut être ajusté en réglant les propriétés du circuit) et la période réfractaire.

Efficacité énergétique et limitations

L'efficacité énergétique de ces circuits supraconducteurs peut être comparée à celle des réseaux de neurones biologiques. Selon l'équipe de recherche, le réseau de neurones artificiels proposé peut effectuer environ cent mille milliards d'opérations synaptiques par seconde et par watt.

Les simulations semblent prometteuses. En cas de succès, il peut s'agir d'une technologie hautement compétitive en termes de vitesse et de puissance. La conception peut permettre à un processeur neuromorphe à grande échelle qui pourrait être formé comme un réseau de neurones à pics d'effectuer des tâches complexes telles que la reconnaissance de formes.

Lire : La nouvelle peau électronique peut avoir un sens du toucher semblable à celui d'un humain

Comme d'autres concepts, il a ses propres limites :les neurones supraconducteurs ne peuvent être liés qu'à quelques autres neurones. Alors que le neurone biologique se connecte à des milliers d'autres neurones. Pour l'instant, il ne s'agit que d'une conception qui nécessite une démonstration de preuve de principe.