Des nano-oscillateurs couplés capables de reconnaître des voyelles selon une règle d'apprentissage
Publié par Redbran le 10/01/2019 à 14:00
Source: Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (C2N)
Des physiciens ont réussi à former un réseau de quatre nano-oscillateurs couplés capable de reconnaître des voyelles parlées en accordant leurs fréquences selon une règle automatique d'apprentissage en temps réel. Ils montrent que les taux de reconnaissance expérimentaux élevés découlent de la capacité exceptionnelle de ces oscillateurs à se synchroniser.

En contraste avec les algorithmes phares utilisés en intelligence artificielle (L'intelligence artificielle ou informatique cognitive est la « recherche de moyens susceptibles de doter les systèmes informatiques de capacités intellectuelles comparables à celles des êtres humains ».) qui réside sur des réseaux de neurones artificiels, des physiciens travaillent sur des composants physiques inspirés des neurones biologiques. Chacun de ces composants nanométriques joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les mâchoires. On appelle aussi joue le muscle qui sert principalement à ouvrir et fermer la...) le rôle d'un nano-neurone capable de résoudre des problèmes complexes, grâce aux phénomènes de synchronisation de ses oscillations magnétiques.


Figure: Approche pour la classification des modèles avec des nano-oscillateurs couplés à couple de rotation. (a) Schéma du réseau de neurones émulés. (b) Schéma du montage expérimental avec quatre oscillateurs de couple de spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque particule, qui est caractéristique de la nature de la...) connectés électriquement en série et couplés par leurs propres courants hyperfréquences. Deux signaux hyperfréquences codant des informations dans leurs fréquences sont appliqués au système via une bande, ce qui se traduit par deux champs hyperfréquences. La sortie hyperfréquence totale du réseau d'oscillateurs est enregistrée avec un analyseur de spectre. (c) Sortie hyperfréquence émise par le réseau de quatre oscillateurs sans (bleu clair) et avec (bleu foncé) les deux signaux hyperfréquences appliqués au système. Les deux courbes ont été décalées verticalement pour plus de clarté. Les quatre pics de la courbe (En géométrie, le mot courbe, ou ligne courbe désigne certains sous-ensembles du plan, de l'espace usuels. Par exemple, les droites, les segments, les lignes polygonales et les cercles sont des courbes.) bleu (Bleu (de l'ancien haut-allemand « blao » = brillant) est une des trois couleurs primaires. Sa longueur d'onde est comprise approximativement entre 446 et 520 nm. Elle varie en luminosité du cyan à une teinte plus sombre comme le...) clair correspondent aux émissions des quatre oscillateurs. Les deux pics étroits rouges de la courbe bleu foncé correspondent aux signaux hyperfréquences externes de fréquences fA et fB. (d-e) Apprendre à classer les patterns en réglant les fréquences des oscillateurs. Carte de synchronisation expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes dominants tant sur le plan formel, esthétique, que sur le plan culturel et...) en fonction des fréquences du ou des signaux externes avant l'entraînement (e) après l'entraînement. Les points colorés représentent les entrées appliquées au réseau oscillatoire: prononcées par différentes enceintes. Différentes voyelles sont de différentes couleurs. Les vidéos sont accessibles sur Yotube: video complète (3'30”): https://youtu.be/IHYnh0oJgOA – Vidéo (La vidéo regroupe l'ensemble des techniques, technologie, permettant l'enregistrement ainsi que la restitution d'images animées, accompagnées ou non de son, sur un support adapté à l'électronique et non de type photochimique....) courte (20”): https://youtu.be/bbRqqcxc-po / Crédits UMPHY/C2N - CNRS/Thales/UPSud

Le composant(1) étudié par les chercheurs de l'Unité Mixte de Physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens...) CNRS/Thales, du Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies – C2N (CNRS/UPSUD) et de l'AIST au Japon est composé de couches magnétiques et non-magnétiques à l'échelle nanométrique. Il y a un an, l'étude avait montré qu'un seul de ces composants pouvait se comporter comme un neurone (Un neurone, ou cellule nerveuse, est une cellule excitable constituant l'unité fonctionnelle de base du système nerveux. Le terme de « neurone » fut introduit dans...) artificiel et détecter des chiffres parlés avec un taux de reconnaissance élevé (à l'état de l'art international). Le composant unique réalisait le réseau de neurones à lui tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) seul en effectuant successivement le travail de chaque neurone.

Les couplages dynamiques entre plusieurs composants pourraient être utilisés pour jouer le rôle de communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle, groupale...) que l'animal (communication intra- ou inter- espèces) ou...) synaptique entre les neurones. Cependant, un défi majeur pour la mise en œuvre de ces modèles avec des nano-dispositifs est de parvenir à l'apprentissage (L’apprentissage est l'acquisition de savoir-faire, c'est-à-dire le processus d’acquisition de pratiques, de connaissances,...), ce qui nécessite de contrôler finement et de régler l'oscillation (Une oscillation est un mouvement ou une fluctuation périodique. Les oscillations sont soit à amplitude constante soit amorties. Elles répondent aux mêmes...) couplée des composants. Les caractéristiques dynamiques des nanodispositifs peuvent en effet être difficiles à contrôler, et sujettes au bruit (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à la...) et à la variabilité. C'est ce défi d'ajustement fin des oscillations qui a été relevé dans ces nouveaux travaux. Les chercheurs montrent que l'accordabilité exceptionnelle des nano-oscillateurs spintroniques, c'est-à-dire la possibilité de contrôler largement et précisément leur fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi lorsqu'on emploie le mot fréquence sans précision, on...) à travers le courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge électrique, généralement des électrons, au sein d'un matériau conducteur. Ces...) et le champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la...), peut résoudre ce problème. Ils forment avec succès un réseau matériel de quatre nano-oscillateurs à transfert de spin pour reconnaître les voyelles parlées en accordant leurs fréquences selon une règle automatique (L'automatique fait partie des sciences de l'ingénieur. Cette discipline traite de la modélisation, de l'analyse, de la commande et, de la régulation des systèmes dynamiques. Elle a pour fondements...) d'apprentissage en temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) réel. Ils montrent que les taux de reconnaissance expérimentaux élevés découlent de la capacité exceptionnelle de ces oscillateurs à se synchroniser. Leurs travaux sont publiés dans la revue Nature.

Les quatre neurones sont expérimentalement mis en œuvre avec quatre nano-oscillateurs à transfert de spin ; des jonctions tunnel (Un tunnel est une galerie souterraine livrant passage à une voie de communication (chemin de fer, canal, route, chemin piétonnier). Sont apparentés aux tunnels par leur mode de construction les grands ouvrages...) magnétiques circulaires de 375 nm de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le diamètre est aussi la longueur de ce segment. Pour indiquer...) et une couche libre de Fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique le plus courant dans la vie quotidienne, sous forme pure ou d'alliages....) Bore (Le bore est un élément chimique de symbole B et de numéro atomique 5.) avec un vortex comme état fondamental (En physique quantique, les états fondamentaux d'un système sont les états quantiques de plus basse énergie. Tout état d'énergie supérieure à celle des états fondamentaux est un état excité.). Les interconnexions neuronales symétriques sont implémentées en connectant électriquement les quatre oscillateurs en utilisant des fils millimétriques: dans cette configuration, le courant micro-onde (Les micro-ondes sont des ondes électromagnétiques de longueur d'onde intermédiaire entre l'infrarouge et les ondes de radiodiffusion. Le terme de micro-onde provient...) généré par chaque oscillateur (En physique, un oscillateur est un système manifestant une variation périodique dans le temps (ou pseudo-périodique s'il existe une dissipation d'énergie). Les exemples les plus courants sont utilisés en...) se propage dans la boucle électrique hyperfréquence et influe à son tour sur la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :), en particulier la fréquence, des autres oscillateurs. Les oscillateurs sont ainsi couplés. La somme de toutes les émissions de micro-ondes est détectée par un analyseur de spectre. Avec ce réseau de neurones, les chercheurs ont reconnu des voyelles prononcées par différentes personnes. Les signaux audios de chaque voyelle sont transformés par analyse de Fourier en deux fréquences, accélérées cent mille fois puis appliquées par une antenne (En radioélectricité, une antenne est un dispositif permettant de rayonner (émetteur) ou de capter (récepteur) les ondes électromagnétiques.) aux nano-oscillateurs sous forme de signaux micro-ondes de forte amplitude (Dans cette simple équation d’onde :), qui peuvent synchroniser les oscillateurs. Les voyelles sont correctement reconnues et classées si chaque voyelle entraine une configuration de synchronisation spécifique quelle que soit la personne qui la prononce: par exemple pour la voyelle "ih" un seul oscillateur est synchronisé, pour la voyelle "ah", deux oscillateurs sont synchronisés. Ce comportement n'est pas inné: le réseau doit être entrainé à y parvenir. Pour ceci, les chercheurs ont modifié progressivement la fréquence de chaque oscillateur en ajustant le courant continu (Le courant continu est un courant électrique indépendant du temps ou, par extension, un courant périodique dont la composante continue est d'importance...) qui circule dans chacun selon une loi d'apprentissage.

Ces résultats démontrent que des tâches de classification de formes non triviales peuvent être réalisées avec de petits réseaux neuronaux physiques en leur conférant des caractéristiques dynamiques non linéaires: ici, oscillations et synchronisation. Cette démonstration (En mathématiques, une démonstration permet d'établir une proposition à partir de propositions initiales, ou précédemment démontrées à partir de propositions initiales, en s'appuyant sur un...) de l'apprentissage en temps réel avec un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise...) de quatre nano-oscillateurs à couple de transfert de spin est une étape importante pour l'informatique (L´informatique - contraction d´information et automatique - est le domaine d'activité scientifique, technique et industriel en rapport avec le traitement automatique de l'information par des machines telles que les ordinateurs, les...) neuromorphique basée sur la spintronique. Les perspectives de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique...) vont consister à coupler un plus grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de composants entre eux.

(1) même composant que dans leurs travaux précédents (Torrejon et al., Nature, 2017)

Références publication:
Vowel recognition with four (Un four est une enceinte maçonnée ou un appareil, muni d'un système de chauffage puissant, qui transforme, par la chaleur les produits et les objets. En cuisine, il permet de...) coupled spin-torque nano-oscillators, Miguel Romera(1), Philippe Talatchian(1), Sumito Tsunegi(2), Flavio Abreu Araujo(1), Vincent Cros(1), Paolo Bortolotti(1), Juan Trastoy(1), Kay Yakushiji(2), Akio Fukushima(2), Hitoshi Kubota(2), Shinji Yuasa(2), Maxence Ernoult(1),(3), Damir Vodenicarevic(3), Tifenn Hirtzlin(3), Nicolas Locatelli(3), Damien Querlioz(3) et Julie Grollier(1)
Nature (2018) DOI: 10.1038/s41586-018-0632-y

(1) Unité Mixte de Physique, CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).), Thales (Thalès de Milet appelé communément Thalès (en grec ancien Θαλής / Thalês), était un philosophe présocratique...), Univ. Paris-Sud, Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études...) Paris-Saclay, 91767 Palaiseau, France
(2) National Institute of Advanced Industrial Science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir appris, ce que l'on tient pour vrai au sens large. L'ensemble de connaissances,...) and Technology (AIST), Spintronics Research Center, Tsukuba, Ibaraki 305-8568, Japan
(3))Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies, CNRS, Univ. Paris-Sud, Université Paris-Saclay, 91405 Orsay France

Contact chercheurs:
Julie Grollier, directrice de recherche CNRS à l'Unité Mixte de Physique CNRS/Thales,
Damien Querlioz, chargé de recherche CNRS au Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (C2N)
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