Dans le calcul par réservoir, la propagation de l’information est comparable à des vagues ondulantes à la surface d’un plan d’eau, d’où l’utilisation du terme “réservoir”. L’électrode sous-marine illustrée est l’électrode multi-terminaux utilisée dans cette étude. Crédit : Megumi Akai-Kasaya et al.
Des chercheurs dirigés par l’Université d’Osaka révèlent les excellentes capacités de traitement de l’information des réservoirs physiques basés sur des réactions électrochimiques en courant faradique et présentent un système simple de calcul de systèmes utilisant des réactions ioniques électrochimiques.
Après plusieurs décennies de développements étonnants, les progrès de l’informatique à base de semi-conducteurs commencent à ralentir, les transistors atteignant leurs limites physiques en taille et en vitesse. Cependant, les besoins en calcul continuent de croître, en particulier dans le domaine de l’intelligence artificielle, où les réseaux neuronaux ont souvent plusieurs millions de paramètres. L’une des solutions à ce problème est le calcul par réservoir. Une équipe de chercheurs dirigée par l’université d’Osaka, avec des collègues de l’université de Tokyo et de l’université d’Oxford, a mis au point un système de calcul par réservoir. Université d’HokkaidoUne équipe de chercheurs dirigée par l’université d’Osaka, avec des collègues de l’université de Tokyo et de l’université d’Hokkaidoa mis au point un système simple basé sur des réactions électrochimiques dans un courant faradique qui, selon eux, permettra de lancer les développements dans ce domaine.
L’informatique de réservoir est une idée relativement récente en informatique. Au lieu des traditionnels programmes binaires exécutés sur des puces à semi-conducteurs, les réactions d’un système dynamique non linéaire – le réservoir – sont utilisées pour effectuer une grande partie des calculs. Divers systèmes dynamiques non linéaires, allant des processus quantiques aux composants de lasers optiques, ont été considérés comme des réservoirs. Dans cette étude, les chercheurs ont examiné la conductance ionique de solutions électrochimiques.
Le calcul de réservoir physique et la construction d’un réservoir à base moléculaire. (a) Structure du calcul de réservoir traditionnel. (b) Concept de notre système de calcul de réservoir physique. Crédit : 2022 Megumi Akai-Kasaya et al, Advanced Science.
“Notre dispositif de test simple consiste en 90 paires d’électrodes planes avec une solution ionique déposée sur sa surface”, explique le professeur Megumi Akai-Kasaya, auteur principal de l’étude. “La tension de réponse à la tension d’entrée est alors utilisée comme la réponse du réservoir”. Cette réponse en tension est due à la fois aux courants ioniques qui traversent la solution et au courant électrochimique. Cette relation entrée-sortie est à la fois non linéaire et reproductible, ce qui permet de l’utiliser pour le calcul des réservoirs. Un système unique d’acquisition de données à plusieurs voies sur le dispositif contrôle les nœuds de lecture, ce qui permet des tests en parallèle.
Les chercheurs ont utilisé le dispositif pour évaluer deux liquides : des molécules de polyoxométalate en solution et de l’eau désionisée. Le système a montré une “connexion directe” entre les nœuds, quel que soit l’échantillon utilisé. Cependant, il y avait des différences. “La solution de polyoxométalate a augmenté la diversité du courant de réponse, ce qui lui permet de bien prédire les signaux périodiques”, explique le professeur Akai-Kasaya. “Mais il s’avère que l’eau désionisée est la meilleure pour résoudre les problèmes non linéaires du second ordre”. Les bonnes performances de ces solutions démontrent leur potentiel pour des tâches plus compliquées, telles que la reconnaissance de polices d’écriture, la reconnaissance de mots isolés et d’autres tâches de classification.
(a) Structure de la molécule de polyoxométalate (POM). (b) Schéma du réservoir basé sur une réaction électrochimique. (c) Réponses de la solution POM (à gauche) et de l’eau déionisée (à droite) à un signal sinusoïdal et leurs performances de prédiction sur un signal cible quadruple sinus (QDW). (d) Performances de prédiction de la solution POM et de l’eau sur un signal cible non linéaire. Crédit : 2022 Megumi Akai-Kasaya et al., Advanced Science
Les chercheurs pensent que le transfert de protons ou d’ions avec des réactions électrochimiques minimales sur de courtes durées a le potentiel de se développer en tant que système de calcul plus puissant, à faible coût et économe en énergie. La simplicité du système proposé ouvre de nouvelles perspectives passionnantes pour le développement de systèmes informatiques basés sur les réactions électrochimiques des ions.
Référence : “Physical Implementation of Reservoir Computing through Electrochemical Reaction” par Shaohua Kan, Kohei Nakajima, Tetsuya Asai et Megumi Akai-Kasaya, 29 décembre 2021, Science avancée.
DOI : 10.1002/advs.202104076
