SyNAPSE, la puce d'IBM qui se rapproche du cerveau humain

Les synapses, souvenir de « sciences naturelles », sont les zones de contact par lesquelles est véhiculé l'influx nerveux dans un organisme vivant, soit chimiquement soit électriquement, c'est donc le lien entre les neurones (*).
C'est le terme, sous forme d'acronyme, qu'a choisi IBM pour baptiser un projet de développement d'une puce révolutionnaire présenté ce 18 août comme fruit d'une coopération de ses chercheurs avec l'agence fédérale DARPA (la Défense américaine) et plusieurs universités - SyNAPSE étant ici un acronyme pour « Systems of Neuromorphic Adaptive Plastic Scalable Electronics« .

IBM parle ici d'« informatique cognitive' et décrit ce 'chip' révolutionnaire comme reposant sur «une architecture de puce électronique  conçue pour imiter les capacités du cerveau humain capable de percevoir, agir et comprendre».

En pratique, cette puce savante apprend par la mémoire de ses 'expériences' ; elle fait les associations utiles et nécessaires; elle vérifie ses hypothèses et se souvient des résultats, ce qui lui permet de s'adapter, seule, aux situations nouvelles- à l'instar du cerveau d'un être vivant qui progresse par apprentissage (**) .
Cette puce devrait opérer selon «plusieurs niveaux d'énergie et d'encombrement nettement inférieurs à ceux des ordinateurs actuels», expliquent ses inventeurs.

«C'est une initiative majeure pour dépasser le paradigme de von Neumann qui a plané sur les architectures électroniques depuis plus d'un demi-siècle» , se réjouit Dharmendra Modha, directeur de ce programme SyNAPSE chez IBM Research.

Dans ce contexte, l'architecture du mathématicien John von Neumann, cité ici, qui reste un modèle de référence pour les micro-processeurs actuels, semble bien avoir atteint ses limites.
La nouvelle architecture d'IBM permettrait de « n'avoir aucun programme déterminé, une mémoire intégrée au processeur, et la capacité d'imiter le traitement de l'information opéré par le cerveau humain: orienté vers les évènements, distribué et parallèle», précise IBM.
L'objectif était de « reproduire la structure et l'architecture du cerveau -à savoir comment ses éléments reçoivent des 'inputs' sensitifs, se connectent et se transmettent des 'outputs' moteurs. »
Ces 'chips' doivent apporter, aux ordinateurs, des « capacités comparables à celles du cerveau pour la prise de décision en rapprochant et en analysant d'immenses quantités de données, de façon similaire aux humains qui regroupent et étudient une série d'évènements« .
Ces 'chips', modélisés autour de systèmes neuronaux, émulent la structure et le mode opératoire du cerveau sur des circuits électroniques avec des algorithmes sophistiqués. IBM parle également d'une « démarche de 'reverse-engineering' du cerveau pouvant conduire [à terme] à des ordinateurs hautement parallèlisés, orientés par des évènements, et passifs en termes de consommation d'énergie« .

Trois ans de travaux et de coopération
Cette invention est le résultat de trois ans de travaux et de coopération entre IBM et des universités américaines (Columbia University, Cornell University, University of California, Merced, University of Wisconsin-Madison). Ces travaux ont été cofinancés par la célèbre agence fédérale américaine DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency). Au final, deux prototypes fonctionnels de puces ont été élaborés, concrétisant ce concept d' »informatique cognitive ».

IBM puce SyNAPSE cognitive computing

Précisons que ces 'chips' n'utilisent aucun élément biologique: ils s'appuient uniquement sur des circuits électroniques inspirés de la neurobiologie et des nanotechnologies.
Ces puces intègrent des composants 'mémoire' répliquant les synapses (*), des CPU (unités de calcul) imitant les neurones et des mécanismes de communication copiant les « axones » -ou fibres nerveuses prolongeant les neurones (*).

Les deux prototypes présentés possèdent, chacun, 256 « neurones » électroniques. Le premier est  aussi doté de 262.144 « synapses programmables » et le second 65.536 « synapses d'apprentissage ».
Selon leurs inventeurs, ces puces savantes auraient prouvé leurs capacités dans certaines applications réputées difficiles pour les ordinateurs car intuitives chez les humains, comme la navigation, la vision détection, la reconnaissance des formes, la mémoire associative et la classification.

Ce premier succès ouvre la voie à une phase 2 de ces travaux de recherche, qui vont bénéficier d'un financement supplémentaire de 21 millions de dollars, toujours supporté par la DARPA.

Pour IBM, l'objectif à long terme serait de produire un système électronique composé de dix milliards de « neurones électroniques » et de cent mille milliards de « synapses électroniques »,  « consommant à peine un kilowatt de puissance et occupant un volume inférieur à deux litres.»

Pour rappel, il est généralement admis que le cerveau humain fonctionne avec plus de 100 milliards de neurones reliés entre eux par un million de milliards de connexions synaptiques - le tout concentré dans un volume moyen de 1,2 litre, pour une consommation d'énergie équivalente à un peu plus de 20 watts.

Les auteurs de science-fiction ne manqueront pas de s'emparer de ces travaux pour évoquer un éventuel et possible « éveil à la conscience » des ordinateurs -comme le note ITespresso.. Mais, à ce stade, ce serait aller un peu vite en besogne!
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[ mise à jour, corrections: remerciements aux contributeurs! /19/08/14:00]
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(**) [NDLR : le concept d'apprentissage existe depuis deux ou trois décennies dans l'univers informatique. Il a été l'ambition et l'objectif des « systèmes experts » ou systèmes dits d' »intelligence artificielle ». Mais ici il s'agit, semble-t-il ici, au delà du logiciel, d'une intégration complète et intégrale dans des 'logiques' de 'circuits électroniques].

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synapse: désigne une zone de contact fonctionnelle qui s'établit entre deux neurones, ou entre un neurone et une autre cellule (cellules musculaires, récepteurs sensoriels.). Elle assure la conversion d'un potentiel d'action déclenché dans le neurone présynaptique en un signal dans la cellule postsynaptique. On estime, pour certains types cellulaires (par exemple cellule pyramidale, cellule de Purkinje.), qu'environ 40 % de la surface membranaire est couverte de synapses.
On distingue habituellement deux types de synapses : « chimique » (très majoritaire, utilisant des neurotransmetteurs pour transmettre l'information) ; et « électrique » (le signal est transmis électriquement par l'intermédiaire d'une jonction communicante - dite 'gap-junction', en anglais).

axone : fibre nerveuse, correspond au prolongement long, mince et cylindrique du corps cellulaire d'un neurone (plus rarement d'un dendrite) qui conduit de manière centrifuge les potentiels d'actions vers les zones synaptiques. Au sein du système nerveux central, les axones se regroupent en faisceaux ou tractus; ailleurs ils forment les nerfs.
Source : Wikipédia