CISE-ANR: FET: Small: Systèmes hybrides de jonctions tunnels stochastiques pour l'optimisation et l'inférence – StochNet

L'objectif de ce projet est de développer des jonctions tunnel magnétiques (JTM) à faible barrière d’énergie et compatibles avec les circuits numériques, d’implémenter des circuits hybrides de lecture et de contrôle, et de concevoir des architectures de calcul permettant d'exploiter la nature stochastique de nos dispositifs en tirant parti de divers modèles de calculs probabilistes inspirés de la biologie. Ce projet est motivé par les recherches menées en neurosciences qui mettent en lumière le comportement intrinsèquement stochastique des processus neuronaux. Les JTMs stochastiques étudiées dans ce projet s’obtiennent par de légères modifications du processus de fabrication utilisé pour les JTMs commerciales intégrées et compatible avec les technologies CMOS. Ces jonctions fournissent un substrat naturel pour les modèles de calcul qui nécessitent des variables aléatoires. L'abaissement de leur barrière d’énergie au niveau de la température ambiante place ces dispositifs dans un régime superparamagnétique, où les fluctuations thermiques modifient aléatoirement leur état. Pour exploiter la nature aléatoire de ces dispositifs magnétiques, nous concevrons et testerons des circuits stochastiques à codage fréquentiel et temporel. Sur la base de réalisations expérimentales, nous concevrons des architectures de calculs probabilistes telles que des modèles d’apprentissage à base d’énergie, des modèles d’oscillateurs hors-équilibre ainsi que des modèles temporels exploitant le temps d'arrivée des signaux. Nous tirerons parti de l'expertise croisée de nos collaborateurs qui va de la croissance des matériaux, de la fabrication de dispositifs nanométriques à la conception de VLSI et d'architecture de calcul. Pour combler le fossé entre ces différents domaines, nous développerons des modèles tenant compte des défis pratiques posés par l'intégration des technologies de nouvelle génération tout en étant guidés par des applications qui peuvent de manière efficace tirer parti du caractère aléatoire. Notre projet suit le grand défi neuroscientifique de rétro-ingénierie du cerveau ouvrant la voie vers de nouvelles technologie de calcul. Tel que postulé par les chercheurs et mis en évidence par la nature stochastique des processus neuronaux de base, nous partons de l'idée que la nature probabiliste de l'activité neuronale peut être fondamentale pour la capacité de calcul du cerveau. Notre approche inspirée de la biologie implique différentes disciplines telles que les mathématiques, l'électronique, l'informatique, les sciences des matériaux, la physique et les neurosciences. Dans ce projet, nous allons construire et tester des primitives de circuit qui convertissent le caractère aléatoire inhérent aux JTM superparamagnétiques (SMTJ) en schémas de codage utilisables pour faire du calcul. Nous utiliserons ensuite ces primitives comme éléments constitutifs d'architectures efficaces sur le plan énergétique, fiables et robustes aux variations de conception. La possibilité d'une intégration directe de nos circuits à base de JTMs dans la fabrication commerciale nous fait envisager l'implémentation de réseaux de grande taille composés de dispositifs stochastiques couplés. Ces derniers pourront servir de substrat pour des recherches ultérieures en physique, en calcul de réseau et en processus neuronaux opérant au seuil de phénomènes chaotiques. Les résultats de nos recherches feront progresser les connaissances et la compréhension dans le domaine des technologies émergentes pour des approches de calcul innovantes. La conception de briques de base stochastiques à l'interface numérique, accordables et à faible consommation d'énergie permettra la réalisation physique compacte de réseaux complexes encore peu explorés présentant une dynamique hors-équilibre et un comportement temporel stochastique singulier. Cette compréhension sera importante pour le développement de systèmes de calculs distribués et intelligents à faible coût énergétique.