Un transistor imite une synapse et trie les battements en labo

Un seul transistor, un dispositif de la taille d'une puce de laboratoire standard, assure désormais deux fonctions qui exigent habituellement des composants distincts : il se souvient de ce qui s'est passé auparavant et traite un signal en temps réel. À l'Université de Tokyo, une équipe dirigée par Daisuke Kiriya, avec Durgadevi Elamaran et ses collègues, a montré que cette combinaison fonctionne en laboratoire sur des enregistrements d'électrocardiogramme (ECG) du cœur. Les résultats sont publiés dans la revue ACS Nano.

La voie habituelle pour un dispositif de mémoire consiste à placer un matériau de commutation sur tout le canal qui conduit le courant. L'équipe de Tokyo a choisi une autre voie. Elle a travaillé sur un memtransistor planaire en MoS₂, un transistor fabriqué à partir de disulfure de molybdène, un semi-conducteur bidimensionnel, et n'a traité que les points où les électrodes métalliques rencontrent le matériau, au moyen d'une étape en solution à base d'AuCl₃. Ce traitement modifie la manière dont les charges sont piégées puis libérées à l'interface, ce qui altère à son tour la barrière énergétique, appelée barrière de Schottky, qui contrôle l'injection des porteurs de charge dans le canal. Les mesures en fonction de la température de l'équipe situent la barrière effective à environ 40,8 meV dans les dispositifs non traités et à environ 196 meV après traitement. Les auteurs décrivent la commutation qui en résulte comme douce et bipolaire, le canal lui-même restant largement non modifié.

Le dispositif a ensuite été soumis à un test de comportement synaptique. La synapse est la jonction entre deux neurones dont la force évolue avec l'usage. Sous des impulsions de tension, il a présenté une potentialisation et une dépression graduelles, c'est-à-dire que sa conductance augmentait ou diminuait par paliers, et sa réponse dépendait de l'amplitude et du moment des impulsions. Sa réponse à des paires d'impulsions comportait des composantes rapide et lente, que l'équipe relie à plusieurs processus de relaxation de charge à l'interface.

Le test sur les battements cardiaques est celui où le dispositif a dû exploiter le temps lui-même. L'équipe a utilisé le transistor comme un réservoir physique, un montage dans lequel un système dynamique transforme un signal entrant et une couche de lecture simple interprète le résultat. Au lieu d'un réseau de dispositifs, un seul memtransistor a fonctionné avec 10 nœuds virtuels à multiplexage temporel, ce qui signifie qu'un même dispositif a été lu à dix instants successifs pour tenir lieu de dix unités distinctes. L'équipe a travaillé sur 23 818 segments de battements issus de la base de données d'arythmie MIT-BIH, dont 19 053 pour l'entraînement et 4 765 pour le test. Pour distinguer les battements normaux des extrasystoles ventriculaires, ces battements anormaux qui naissent dans les cavités inférieures du cœur, l'analyse a atteint une aire sous la courbe ROC de 0,965 et une précision globale de 93,9 %. Les chercheurs sont explicites : il ne s'agit pas d'un système de diagnostic, mais d'une démonstration de traitement temporel du signal avec un seul dispositif à contacts modifiés, rien de plus.

Qu'est-ce qui change, et pour qui ? Les auteurs n'avancent aucun calendrier, et leur propre liste de questions ouvertes est longue : l'intégration à grande échelle, la fiabilité à long terme et la compatibilité avec la fabrication restent à évaluer. Néanmoins, la conception ouvre une piste concrète. La commutation est localisée à l'interface métal-MoS₂, et le traitement est une étape de mise en solution compatible avec la lithographie, la méthode de structuration utilisée pour fabriquer les puces. Pour les ingénieurs qui conçoivent des circuits basse consommation devant analyser localement des signaux, comme les moniteurs portables, un élément combinant mémoire et traitement dans un seul dispositif, plutôt qu'un réseau, serait une brique plus simple, à condition qu'il passe ces tests. Tant que l'équipe ou d'autres n'auront pas reproduit ces chiffres sur des dispositifs fabriqués hors laboratoire, le résultat de 93,9 % reste un résultat de laboratoire.