La mémoire, ou la capacité de stocker des informations de manière facilement accessible, est une opération essentielle pour les ordinateurs et le cerveau humain. La grande différence est que le traitement de l’information par le cerveau consiste à effectuer des calculs directement sur les données stockées, tandis que l’ordinateur transmet les données entre une unité de mémoire et une unité centrale de traitement (CPU). . Cette séparation inefficace (le goulot d’étranglement de von Neumann) contribue à augmenter le coût énergétique des ordinateurs.
Depuis les années 1970, les scientifiques travaillent sur le concept de memristance ou résistance de la mémoire. Il s’agit d’un composant électronique capable à la fois de calculer et de stocker des données de la même manière qu’une synapse. Mais Aleksandra Radenovic, chercheuse au Laboratoire de biologie à l’échelle nanométrique (LBEN) de la Faculté des sciences de l’ingénieur et technologies de l’EPFL, a jeté son dévolu sur quelque chose d’encore plus ambitieux : un dispositif memristif nanofluidique fonctionnel qui s’appuierait sur des ions plutôt que sur des électrons et leurs homologues chargés de manière opposée (trous). Une telle approche imiterait plus fidèlement la façon dont le cerveau traite l’information, ce qui est nettement plus efficace sur le plan énergétique.
“Les memristors ont déjà été utilisés pour créer des réseaux neuronaux électroniques, mais notre objectif est de concevoir un réseau neuronal nanofluidique qui tire parti des changements de concentrations ioniques, comme les organismes vivants”, explique Aleksandra Radenovi.
«Nous avons conçu un nouveau dispositif nanofluidique pour les applications mémoire bien plus évolutif et efficace que ses prédécesseurs», explique Théo Emmerich, chercheur postdoctoral au LBEN. “Pour la première fois, nous avons pu connecter deux de ces “synapses artificielles”, ouvrant la voie à la conception d’un matériel liquide inspiré du cerveau.”
Cette recherche a été récemment publiée dans la revue Nature Electronics.
Juste de l’eau
Les memristors peuvent basculer entre les états de conductance – actif et inactif – en manipulant une tension appliquée. Alors que les memristors électroniques s’appuient sur des électrons et des trous pour traiter les informations numériques, la memristance du LBEN peut tirer parti d’un ensemble différent d’ions. Pour leur étude, les scientifiques ont immergé leur appareil dans une solution électrolytique aqueuse contenant des ions potassium, mais d’autres ions pourraient être utilisés, notamment des ions sodium et calcium.
“Nous pouvons régler la mémoire de notre appareil en modifiant les ions que nous utilisons, ce qui affecte la façon dont il passe d’actif à inactif, ou la quantité de mémoire qu’il stocke.” , explique Théo Emmerich.
Ce dispositif a été fabriqué sur puce au Centre de MicroNanoTechnologie de l’EPFL en créant un nanopore au centre d’une membrane en nitrure de silicium. Les scientifiques ont ajouté des couches de palladium et de graphite pour créer des nanocanaux ioniques. Lorsqu’un courant traverse la puce, les ions circulent à travers les canaux et convergent vers les pores, où leur pression crée une bulle entre la surface de la puce et le graphite. Lorsque la couche de graphite est poussée vers le haut par le blister, la conductivité du dispositif augmente ; sa mémoire passe également à l’état actif. La couche de graphite restant relevée, même en l’absence de courant, le dispositif « se souvient » de son état antérieur. Une tension négative remet les couches en contact, ramenant la mémoire à l’état inactif.
“Les canaux ioniques dans le cerveau subissent des changements structurels au sein d’une synapse, qui imite également la biologie”, explique Yunfei Teng, doctorant au LBEN qui a travaillé sur la conception des dispositifs, baptisés canaux hautement asymétriques (HAC). ) en référence à la forme du flux ionique vers les pores centraux.
Nathan Ronceray, doctorant au LBEN, ajoute que l’observation en temps réel par l’équipe de l’action de la mémoire HAC constitue également une avancée dans ce domaine. « Comme nous étions confrontés à un tout nouveau phénomène de mémoire, nous avons conçu un microscope pour l’observer. »
Riccardo Chiesa et Edoardo Lopriore du Laboratoire d’électronique et de structures nanométriques dirigé par Andras Kis, les scientifiques ont réussi à connecter deux HAC avec une électrode pour former un circuit logique basé sur le flux d’ions. Cette réalisation représente la première démonstration d’opérations logiques numériques basées sur des dispositifs ioniques de type synapse. Mais les scientifiques ne veulent pas s’arrêter là : leur prochain objectif sera de relier un réseau de HAC à des canaux d’eau pour créer des circuits entièrement liquides. En plus de fournir un mécanisme de refroidissement intégré, l’utilisation de l’eau faciliterait le développement de dispositifs biocompatibles qui pourraient être utilisés dans les interfaces cerveau-ordinateur ou en neuromédecine.
Les références
Emmerich, T., Teng, Y., Ronceray, N. et al. Logique nanofluidique avec commutateurs memristifs mécano-ioniques. Nat Electron (2024). https://doi.org/10.1038/s41928-024-01137-9
