Transistor-synapse et circuits pour les architectures neuro-inspirées – SYNAPTOR

Le projet est divisé en 5 Work Package (WP).
WP0: Gestion (IEMN)
WP0 est transversal à tous les WPs. Il met en œuvre les activités de coordination et de gestion du projet. La deuxième tâche de WP0 est dédiée à la diffusion des résultats.
WP1: Synthèse chimique (MOLTECH-Anjou)
La synthèse et la caractérisation des molécules photo-commutables sont effectuées à MOLTECH-Anjou. Les NPs en or sont fonctionnalisées en solution avec les molécules synthétisées et caractérisées aussi à MOLTECH-Anjou. La formation des NPs d'or fonctionnalisées de ligands qui peuvent changer la conductivité sous exposition à la lumière est le point de départ du projet.
WP2: Dépôt et caractérisation des NPs (IEMN et MOLTECH-Anjou)
L'immobilisation sur des surfaces solides de NPs d'or fonctionnalisées développées en WP1 se fait à l'IEMN. Le dépôt est optimisé et validé par différentes techniques (AFM, STM, XPS, FTIR). Une fois le dépôt maîtrisé, les NPs d'or sont caractérisées électriquement par plusieurs techniques de microscopie à sonde locale (SPM).
WP3: Fabrications et caractérisations du Synaptor (IEMN)
En utilisant les NPs d'or fonctionnalisées du WP1 et les techniques de dépôt développées dans WP2, nous formons la structure OG-NOMFET. La condition de dépôt pour les NPs développées dans WP2 est appliquée ici pour réaliser le film de NPs. Enfin, nous procédons à de nombreuses mesures des caractéristiques électriques: la courbe courant-tension, les temps de réponse et de rétention de ces OG-NOMFETs.
WP4: Modélisation et architecture (CEA-LIST & IEMN)
Basé sur notre expérience antérieure sur le NOMFET, nous développons un modèle de simulation fonctionnelle (SPICE) basé sur un modèle physique et un certain nombre de paramètres expérimentaux de WP3. Sur la base de ces modèles de simulation, l'OG-NOMFET est assemblé pour former un réseau multi-porte multi-terminal, qui est intégré dans un circuit neuromorphique et appliqué pour résoudre un problème simple comme la mémoire associative.

En cours…

En cours…

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Les dispositifs à base de molécules sont envisagés pour compléter les composants en silicium, en fournissant des fonctions nouvelles, en simplifiant la fabrication, et ceci pour un moindre coût. De plus, ils ne sont pas liés à l'architecture von Neumann et cette caractéristique peut ouvrir la voie à d'autres paradigmes architecturaux tels que l’électronique neuro-inspirée. Dans le cerveau, la mémoire et le calcul sont associés et permettent le traitement de l'information à la fois dans le temps et dans l'espace via les propriétés dépendantes du temps dans les neurones interconnectés : ce comportement est connu sous le nom de plasticité synaptique. Dans un dispositif neuro-inspiré, ce comportement peut être obtenu en combinant deux propriétés: le gain de transconductance du transistor et l'effet de mémoire causé par les charges stockées dans des nanoparticules (NPs). Nous nommerons ce dispositif un synaptor (synapse-transistor).

Dans ce projet, nous allons étudier un nouveau type de synaptor: l’Optically-Gated Nanoparticle Organic Memory FET (OG-NOMFET). Ce dispositif repose sur une structure OFET classique avec à l'intérieur du canal des NPs d'or. L'originalité de ces synaptors repose sur l'utilisation de NPs d'or fonctionnalisées par un matériau organique optiquement actif. Ce matériaux présente la propriété de changer de conductivité électrique réversiblement sous exposition lumineuse, et ainsi améliorer le contrôle des charges stockées dans les NPs et donc la plasticité du synaptor (sa réponse dépendra de son histoire passée et des excitations présentes). La présence de ce matériau permettra de changer le comportement synaptique des dispositifs in situ au cours du fonctionnement du dispositif. Cela ouvrira de nouvelles possibilités pour utiliser ces synaptors dans des circuits neuro-inspirés.

Avant d'utiliser les NPs fonctionnalisées dans un nouveau synaptor, notre objectif est de démontrer et de comprendre le changement des propriétés électroniques des NPs d'or fonctionnalisées par un matériau optiquement actif capable de changer de conductivité sous éclairement. Comprendre les propriétés de ces NPs fonctionnalisées et en particulier la relation entre la structure du film et sa composition moléculaire est essentiel pour manipuler et optimiser leur rôle au sein de l’OG-NOMFET. La démonstration de nouveaux ligands commutables optiquement contribuera également au développement de ces systèmes dans de nombreux domaines. Les propriétés de ces NPs individuelles fonctionnalisées seront étudiées avec différentes techniques de Microscopie à Champ Proche.

Les comportements synaptiques des OG-NOMFET seront étudiés en détail. Nous allons principalement étudier les différents comportements de plasticité neuro-inspirés: STP (Short Term Plasticity), SRDP (Spike Rate Dependent Plasticity), STDP (Spike Timing Dependent Plasticity) ainsi que la plasticité à long terme telle que le LTP (Long-Term Potentiation) et le LTD (Long-Term Depression). Ces résultats permettront d'élaborer un modèle de simulation fonctionnelle (type SPICE) pour la modélisation du comportement de l’OG-NOMFET. Avec ce simulateur, nous serons en mesure de simuler l'association de plusieurs synaptors pour déterminer les paramètres optimums des nouveaux circuits neuro-inspirés. Ces circuits seront d'abord simulés avant d’envisager la réalisation technique pour la validation expérimentale.

Ce projet représente un challenge scientifique à la pointe des domaines des nanosciences et des Technologies de l'Information et de la Communication (TIC). Par définition, ce projet est à haut risque mais avec des retombées potentielles très importantes. Le développement de dispositifs et de systèmes TIC à l'échelle moléculaire pourrait avoir des répercussions lourdes sur l'avenir de la nanoélectronique mondiale ainsi que sur les industries qui s'y rattachent. Comme il n'y a pas d'état de l’art expérimental, tout projet de recherche dans ce domaine sera une avancée et une source de progrès.