Points Clés
- Performance record : La nouvelle puce atteint une latence de 2,12 millisecondes par itération pour la reconstruction dynamique de la surface cérébrale, se révélant entre 50 et 478 fois plus rapide que les systèmes reposant sur des GPU Nvidia A100.
- Technologie : Le dispositif utilise des memristors à changement de phase et exploite la « dérive de conductance » pour un calcul en mémoire contrôlable, supprimant ainsi le déplacement des données entre mémoire et processeur.
- Impact applicatif : La puce réduit la consommation énergétique jusqu'à 24 fois et ouvre la voie à des usages en neuronavigation chirurgicale, diagnostic précoce des maladies neurodégénératives et interfaces cerveau-ordinateur.
Une puce reconstruit le cerveau en temps réel
Une équipe dirigée par le Professeur Yang Yuchao de l'Université de Pékin, en collaboration avec l'Institut des Microsystèmes et Technologies de l'Information de l'Académie Chinoise des Sciences, a mis au point une puce capable de reconstruire en temps réel la surface du cortex cérébral. Les résultats, publiés dans Science, présentent ce dispositif comme le premier au monde pour les systèmes neuronaux dynamiques basé sur des memristors à changement de phase.
Le goulot d'étranglement de l'architecture de von Neumann
Les ordinateurs traditionnels séparent physiquement mémoire et processeur. Chaque calcul complexe nécessite un déplacement constant des données entre les deux unités, un processus qui consomme du temps et de l'énergie. Cette séparation, connue sous le nom de goulot d'étranglement de von Neumann, a jusqu'ici empêché de modéliser en temps réel la complexité du cerveau humain.
Le calcul directement en mémoire
L'équipe a exploité la dérive de conductance, une propriété physique des memristors à changement de phase jusqu'alors considérée comme un défaut, en la transformant en outil de calcul. La puce qui en résulte stocke les données tout en exécutant simultanément les opérations mathématiques en son sein, selon une approche baptisée calcul en mémoire contrôlable. Selon Yang, les opérations qui nécessitaient auparavant des cycles numériques, des accès à la mémoire cache et des transferts de données sont désormais accomplies par l'évolution physique du dispositif lui-même.
Les chiffres de l'expérimentation
Fabriquée selon un procédé de production en 40 nanomètres, la puce a atteint une latence de 2,12 millisecondes par itération, marquant la première entrée du matériel dédié aux systèmes neuronaux dynamiques dans l'ère de la milliseconde. Lors des tests de reconstruction du cortex cérébral, elle a dépassé de 50 à 478 fois la vitesse des systèmes reposant sur des GPU Nvidia A100 et, dans certains cas, a surpassé des processeurs spécialisés (ASIC) jusqu'à 36 fois. La consommation énergétique s'est révélée jusqu'à 24 fois inférieure aux solutions traditionnelles.
Les applications cliniques en perspective
La capacité de générer des cartes cérébrales tridimensionnelles en temps réel ouvre la voie à une utilisation directe en neuronavigation peropératoire, avec des bénéfices potentiels pour la précision lors des interventions chirurgicales. Le même principe pourrait permettre un dépistage précoce des maladies neurodégénératives telles que la maladie d'Alzheimer, grâce à l'analyse continue des structures cérébrales. La puce est également candidate pour accélérer le développement des interfaces cerveau-ordinateur et la construction de jumeaux numériques personnalisés du cerveau, des modèles virtuels utilisables pour tester des thérapies et suivre l'évolution d'une pathologie chez chaque patient.
