Développer une synapse artificielle ultra-évolutive

Une équipe de recherche, dirigée par le professeur adjoint Desmond Loke de l’Université de technologie et de design de Singapour (SUTD), a développé un nouveau type de synapse artificielle basé sur des matériaux bidimensionnels (2D) pour une informatique hautement évolutive inspirée du cerveau.

L’informatique inspirée du cerveau, qui imite le fonctionnement du cerveau humain, a attiré l’attention des scientifiques en raison de ses utilisations dans les fonctions de l’intelligence artificielle et de sa faible consommation d’énergie. Pour que l’informatique inspirée du cerveau fonctionne, des synapses mémorisant les connexions entre deux neurones sont nécessaires, comme le cerveau humain.

Dans le développement du cerveau, les synapses peuvent être regroupées en synapses fonctionnelles et en synapses silencieuses. Pour les synapses fonctionnelles, les synapses sont actives, tandis que pour les synapses silencieuses, les synapses sont inactives dans des conditions normales. Et, lorsque des synapses silencieuses sont activées, elles peuvent aider à optimiser les connexions entre les neurones. Cependant, comme les synapses artificielles construites sur des circuits numériques occupent généralement de grands espaces, il existe généralement des limitations en termes d’efficacité matérielle et de coûts. Comme le cerveau humain contient environ cent mille milliards de synapses, il est nécessaire d’améliorer le coût du matériel afin de l’appliquer aux appareils portables intelligents et à l’Internet des objets (IoT).

Pour résoudre ce problème, l’équipe de recherche SUTD a imité les comportements de synapses fonctionnelles et silencieuses à l’aide de matériaux 2D. De plus, cette synapse artificielle démontre pour la première fois qu’elle peut être implémentée avec le même appareil qui fonctionne à la fois comme des synapses fonctionnelles et silencieuses.

Le professeur assistant Loke a mentionné que ce travail peut réduire considérablement les coûts matériels en remplaçant les synapses fonctionnelles et silencieuses basées sur des circuits numériques complexes par un seul appareil. “Nous avons démontré que des synapses fonctionnelles et silencieuses peuvent être mises en œuvre à l’aide d’un seul appareil.”

“En intégrant des synapses fonctionnelles et silencieuses dans le même appareil à l’aide de matériaux 2D ultrafins, le coût matériel des synapses artificielles diminuera considérablement, ce qui stimulera la commercialisation de matériel inspiré du cerveau”, a ajouté le professeur assistant Loke.

Du point de vue de la neurobiologie, les synapses silencieuses ne généreraient pas de comportement excitateur lorsque les neurones présynaptiques reçoivent des stimuli continus car ils contiennent des récepteurs N-méthyl-D-aspartate (NMDA), mais ils manquent de l’alpha-amino-3-hydroxy-5-méthyl- Récepteurs de l’acide 4-isoxazole-propionique (AMPA). Cependant, les synapses silencieuses peuvent être activées pour devenir des synapses fonctionnelles qui répondent aux stimulations lors de l’insertion des récepteurs AMPA après des stimulations consécutives.

Inspiré par le mécanisme biologique d’activation des synapses silencieuses via l’insertion de récepteurs AMPA, les transformations de synapses silencieuses en synapses fonctionnelles dans les appareils peuvent être réalisées en introduisant des anions soufre dans des systèmes de matériaux de séléniure d’indium 2D. Les anions soufre du séléniure d’indium peuvent migrer sous champ électrique et présenter une plasticité synaptique fonctionnelle. Ce dispositif, basé sur un système de type entièrement sulfuré, présente un comportement mémristif évident à température ambiante, qui peut être utilisé pour mettre en œuvre des synapses fonctionnelles. L’activation des synapses silencieuses peut être démontrée à l’aide d’un système de type partiellement sulfuré en modifiant la température.

Cette recherche a été publiée dans Matériaux et interfaces appliqués ACS.