Analogique et numérique : le meilleur des deux mondes dans une seule énergie

Nous vivons dans un monde analogique de flux d'informations continu qui est à la fois traité et stocké par notre cerveau, mais nos appareils traitent les informations numériquement sous la forme d'un code binaire discret, divisant l'information en petits morceaux (ou bouchées). Des chercheurs de l'EPFL ont révélé une technologie pionnière qui combine le potentiel du traitement analogique continu avec la précision des appareils numériques. En intégrant de manière transparente des semi-conducteurs bidimensionnels ultra-fins à des matériaux ferroélectriques, la recherche, publiée dans Nature Electronics, dévoile une nouvelle façon d'améliorer l'efficacité énergétique et d'ajouter de nouvelles fonctionnalités informatiques. La nouvelle configuration fusionne la logique numérique traditionnelle avec des opérations analogiques de type cérébral.

Une électronique plus rapide et plus efficace

L'innovation du Nanoelectronics Device Laboratory (Nanolab), en collaboration avec le Microsystems Laboratory, s'articule autour d'une combinaison unique de matériaux conduisant à des fonctions inspirées du cerveau et à des commutateurs électroniques avancés, notamment le remarquable transistor à effet de champ tunnel (TFET) à capacité négative. Dans le monde de l'électronique, un transistor ou un « interrupteur » peut être assimilé à un interrupteur d'éclairage, déterminant si le courant circule (allumé) ou non (éteint). Ce sont les fameux 1 et 0 du langage informatique binaire, et cette simple action d’allumer et d’éteindre fait partie intégrante de presque toutes les fonctions de nos appareils électroniques, du traitement des informations au stockage de la mémoire. Le TFET est un type spécial de commutateur conçu pour un avenir économe en énergie. Contrairement aux transistors conventionnels qui nécessitent une certaine tension minimale pour être activés, les TFET peuvent fonctionner à des tensions nettement inférieures. Cette conception optimisée signifie qu'ils consomment considérablement moins d'énergie lors de la commutation, réduisant ainsi considérablement la consommation électrique globale des appareils dans lesquels ils sont intégrés.

Selon le professeur Adrian Ionescu, directeur de Nanolab, « nos efforts représentent un pas en avant significatif dans le domaine de l'électronique, ayant brisé les références de performances précédentes, et sont illustrés par les capacités exceptionnelles du TFET diséléniure de tungstène/diséléniure d'étain à capacité négative et du possibilité de créer une fonction de neurone synaptique au sein de la même technologie.

Sadegh Kamaei, doctorant à l'EPFL, a exploité pour la première fois le potentiel des semi-conducteurs 2D et des matériaux ferroélectriques au sein d'un système électronique entièrement co-intégré. Les semi-conductions 2D peuvent être utilisées pour des processeurs numériques ultra-efficaces tandis que le matériau ferroélectrique offre la possibilité de traiter et de stocker en continu la mémoire en même temps. La combinaison des deux matériaux crée la possibilité d’exploiter le meilleur des capacités numériques et analogiques de chacun. Désormais, l’interrupteur de notre analogie ci-dessus est non seulement plus économe en énergie, mais la lumière qu’il allume peut brûler encore plus fort. Kamaei a ajouté : « Travailler avec des semi-conducteurs 2D et les intégrer à des matériaux ferroélectriques a été un défi mais extrêmement gratifiant. Les applications potentielles de nos découvertes pourraient redéfinir la façon dont nous percevons et interagissons avec les appareils électroniques à l'avenir. »

Mélanger la logique traditionnelle avec des circuits neuromorphiques

En outre, la recherche se penche sur la création de commutateurs similaires aux synapses biologiques – les connecteurs complexes entre les cellules cérébrales – pour l’informatique neuromorphique. "La recherche marque la toute première co-intégration de circuits logiques de von Neumann et de fonctionnalités neuromorphiques, ouvrant une voie passionnante vers la création d'architectures informatiques innovantes caractérisées par une consommation d'énergie exceptionnellement faible et des capacités jusqu'ici inexplorées de construction de fonctions neuromorphiques combinées au traitement de l'information numérique. ", ajoute Ionescu.

De telles avancées font allusion à des appareils électroniques qui fonctionnent de manière parallèle à celle du cerveau humain, alliant vitesse de calcul et traitement de l’information d’une manière plus conforme à la cognition humaine. Par exemple, les systèmes neuromorphiques pourraient exceller dans des tâches avec lesquelles les ordinateurs traditionnels ont du mal, comme la reconnaissance de formes, le traitement de données sensorielles ou même certains types d’apprentissage. Ce mélange de logique traditionnelle et de circuits neuromorphiques indique un changement transformateur aux implications profondes. L’avenir pourrait bien voir des appareils non seulement plus intelligents et plus rapides, mais aussi exponentiellement plus économes en énergie.