Des synapses électroniques capables d'apprendre: vers un cerveau artificiel ?
Publié par Redbran le 05/04/2017 à 00:00
Source: CNRS
Des chercheurs du CNRS, de Thales et des Universités de Bordeaux, de Paris-Sud, et d'Evry viennent de créer une synapse artificielle capable d'apprendre de manière autonome. Ils ont également réussi à modéliser ce dispositif. Cette dernière étape est fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.) pour élaborer des circuits plus complexes. Les travaux sont publiés dans Nature Communications le 3 avril 2017.

S'inspirer du fonctionnement du cerveau (Le cerveau est le principal organe du système nerveux central des animaux. Le cerveau traite les informations en provenance des sens, contrôle de nombreuses fonctions du corps, dont la motricité volontaire, et...) pour concevoir des machines de plus en plus intelligentes, telle est l'idée du biomimétisme. Le principe est déjà à l'œuvre en 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...) via des algorithmes pour la réalisation de certaines tâches comme la reconnaissance d'image. C'est ce qu'utilise Facebook (Facebook est un réseau social créé par Mark Zuckerberg et destiné à rassembler des personnes proches ou inconnues. Depuis décembre...) pour identifier des photos par exemple. Mais le procédé est très gourmand en énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.). Vincent Garcia (Unité mixte de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens...) CNRS/Thales) et ses collègues viennent de franchir une nouvelle étape dans ce domaine en créant directement sur une puce électronique une synapse artificielle capable d'apprentissage (L’apprentissage est l'acquisition de savoir-faire, c'est-à-dire le processus d’acquisition de pratiques, de connaissances, compétences, d'attitudes ou de valeurs culturelles, par l'observation, l'imitation,...). Ils ont également développé un modèle physique permettant d'expliciter cette capacité d'apprentissage. Cette découverte ouvre la voie à la création d'un réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire un...) de synapses et donc à des systèmes intelligents moins dépensiers en temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) et en énergie.

Le processus d'apprentissage de notre cerveau est lié à nos synapses, qui assurent la connexion entre les neurones. Plus la synapse est stimulée, plus cette liaison se renforce, et plus l'apprentissage s'améliore. Les chercheurs se sont inspirés de ce mécanisme pour concevoir une synapse artificielle, le memristor. Celui-ci, un nano composant électronique (Un composant électronique est un élément destiné à être assemblé avec d'autres afin de réaliser une ou plusieurs fonctions électroniques. Les composants forment de très nombreux...) formé d'une fine couche ferroélectrique prise en sandwich entre deux électrodes, peut ajuster sa résistance sous l'action d'impulsions électriques similaires à celles des neurones. Si la résistance est faible, la liaison synaptique est forte, si la résistance est forte, la liaison est faible. C'est cette capacité de la synapse à adapter sa résistance qui permet l'apprentissage.

Si les travaux sur ces synapses artificielles sont au centre des préoccupations de nombreux laboratoires, jusqu'à présent le fonctionnement de ces dispositifs restait largement incompris. Pour la première fois, les chercheurs ont réussi à élaborer un modèle physique permettant d'anticiper son fonctionnement. Cette compréhension du processus va permettre de créer des systèmes plus complexes, comme 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 comme un...) de neurones artificiels interconnectés par ces memristors.

Dans le cadre du projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours...) européen ULPEC H2020, cette découverte va ainsi être exploitée pour la reconnaissance de forme en temps réel issue d'une caméra (Le terme caméra est issu du latin : chambre, pour chambre photographique. Il désigne un appareil de prise de vues animées, pour le cinéma, la télévision ou la...) innovante(1 ): les pixels sont inactifs sauf s'ils voient quelque chose qui change dans l'angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts apparentés.) de vision. Le procédé du traitement de l'information sera moins coûteux en énergie et plus rapide pour déceler les objets recherchés. Les travaux présentés impliquent des chercheurs de l'Unité mixte de physique CNRS/Thales, du Laboratoire de l'intégration du matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison de...) au système (CNRS/Université de Bordeaux/Bordeaux INP), de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études...) d'Arkansas, du Centre de nanosciences et nanotechnologies (CNRS/Université Paris-Sud), de l'Université d'Evry et de Thales (Thalès de Milet appelé communément Thalès (en grec ancien Θαλής / Thalês), était un philosophe présocratique ionien né à Milet vers...).


Illustration artistique de la synapse électronique: les particules représentent les électrons circulant à travers l'oxyde, par analogie avec les neurotransmetteurs dans les synapses biologiques. Le flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus précisément le terme...) d'électrons dépend de la structure en domaines ferroélectriques de l'oxyde. Celle-ci est contrôlée par les impulsions électriques.
© Sören Boyn / Unité mixte de physique CNRS/Thales.

Notes:
(1) Fournie par Chronocam, partenaire du projet.


Références publication:
Learning through ferroelectric domain dynamics in solid-state synapses. Sören Boyn, Julie Grollier, Gwendal Lecerf, Bin Xu, Nicolas Locatelli, Stéphane Fusil, Stéphanie Girod, Cécile Carrétéro, Karin Garcia, Stéphane Xavier, Jean Tomas, Laurent Bellaiche, Manuel Bibes, Agnès Barthélémy, Sylvain Saïghi, Vincent Garcia. Nature communications, le 3 avril 2017. DOI: 10.1038/NCOMMS14736. Consulter le site web (Un site Web est un ensemble de pages Web hyperliées entre elles et mises en ligne à une adresse Web. On dit aussi site Internet par métonymie, le...)

Contact chercheur:
- Chercheur 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).) l Vincent Garcia
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