Brevet FR3011363A1 — publié le 20150403

Circuit neuromimétique et procédé de fabrication La présente invention concerne les réseaux neuromimétiques et les procédés de fabrications de tels réseaux. Ces cinquante dernières années, l'informatique purement numérique, du type Von Neumann, a fait des progrès considérables. Cependant, même les ordinateurs les plus puissants dotés des algorithmes les plus évolués ne parviennent pas à traiter rapidement des problèmes en apparence simples, tels que l'interprétation d'une image, pourtant réalisée en une fraction de seconde par le cerveau humain. Ce dernier, en effet, fonctionne de manière massivement parallèle et analogique, contrairement aux ordinateurs actuels. Le cerveau est typiquement composé de 1011 neurones interconnectés entre eux. Un neurone est connecté à un autre neurone par une synapse. Chaque neurone est connecté à 10000 autres neurones en moyenne. Cette très importante densité d'interconnexions est essentielle pour assurer un traitement massivement parallèle de l'information et une fonction d'auto-apprentissage. De nombreuses recherches portent sur la possibilité de réaliser des circuits neuromimétiques, c'est-à-dire imitant le fonctionnement du cerveau humain, afin d'aller au-delà des architectures conventionnelles, pour permettre un traitement cognitif de l'information. Ces recherches ont été relancées depuis 2008 suite à l'apparition de composants appelés memristors. Il s'agit d'un composant présentant une résistance électrique modifiable par application d'un stimulus adapté et ayant la capacité de conserver la valeur de la résistance ainsi modifiée. Un memristor est donc un composant présentant une propriété modifiable de manière analogique et ayant la capacité de mémoriser cette modification (caractère non-volatile). Ce changement de résistance peut être induit par une réaction Red-Ox, un changement de phase, un changement des propriétés d'une couche organique, par un effet purement électronique (ex : spin, polarisation ferroélectrique, etc). Parmi les memristors on connaît des objets nanométriques unidimensionnels, tels que par exemple des nanofils et des nanotubes à changement de phase. En particulier, de nombreux travaux ont été développés dans le domaine de la croissance des nanofils à base de GeSbTe, GeTe et InSe. Cependant, depuis la découverte des memristors, un nombre limité de travaux ont porté sur l'architecture des circuits. Ces travaux envisagent une approche « top - down », selon laquelle un circuit est conçu, puis réalisé par des procédés de micro ou de nanoélectronique, tels que des procédés de lithographie. Il s'agit par exemple de fabriquer un réseau de fils conducteurs, chaque fil étant connecté à des bornes d'entrée et de sortie. Deux réseaux sont ensuite superposés à angle droit et les fils d'un réseau sont interconnectés aux fils de l'autre réseau par un memristor. Les circuits ainsi obtenus sont complexes. Cependant, la densité d'interconnexions reste limitée par la résolution spatiale des procédés utilisés. Les procédés de fabrication sont difficiles à mettre en oeuvre. Les circuits réalisés sont par conséquent coûteux. L'invention a donc pour but de pallier ces problèmes, en proposant notamment un procédé de fabrication particulièrement facile à mettre en oeuvre, permettant d'obtenir à moindre coût des réseaux neuromimétiques. A cette fin, l'invention a pour objet un circuit neuromimétique, caractérisé en ce qu'il comporte un réseau aléatoire, ledit réseau aléatoire comportant : - des noeuds, chaque noeud étant constitué par un plot formant contact électrique portée sur une face d'un substrat ; et, - des liens entre noeuds, chaque lien étant constitué par au moins un objet nanométrique unidimensionnel à résistance variable et non-volatile présentant une résistance configurée suite a l'application d'un stimulus adapté entre au moins une paire de plots connectés par ledit lien. Suivant des modes particuliers de réalisation, le circuit comporte une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles : - chaque objet nanométrique unidimensionnel à résistance variable et non-volatile est un nanofil ou un nanotube ; - chaque objet nanométrique unidimensionnel à résistance variable et non-volatile est à changement de phase. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un circuit neuromimétique, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes consistant à : - fournir un substrat dont une face porte une pluralité de plots formant contacts électriques ; - préparer une solution comportant des objets nanométriques unidimensionnels à résistance variable et non-volatile ; - pulvériser sur ladite face du substrat ladite solution de manière à obtenir un réseau aléatoire, ledit réseau aléatoire comportant des noeuds constitués par les plots et des liens constitués respectivement par au moins un objet nanométrique unidimensionnel ; et, - configurer le réseau aléatoire en appliquant un stimulus adapté entre au moins une paire de plots du réseau aléatoire connectés par un lien, pour adapter la résistance dudit au moins un objet nanométrique unidimensionnel constitutif dudit lien, de manière à obtenir un réseau neuromimétique. Suivant des modes particuliers de réalisation, le procédé comporte une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles : l'étape consistant à préparer une solution comportant des objets nanométriques unidimensionnels à résistance variable et non-volatile consiste à déterminer une distribution en longueur desdits objets et une distribution en nombre desdits objets par unité de volume ; la détermination d'une distribution en longueur et d'une distribution en nombre par unité de volume est effectuée en fonction d'une distribution des distances séparant les plots sur le substrat. l'étape de pulvérisation est réalisée sous contraintes de manière à orienter la formation des liens entre les plots. L'invention a également pour objet une solution comportant des objets nanométriques unidimensionnels à résistance variable et non-volatile propre à être utilisée pour la mise en oeuvre d'un procédé de fabrication d'un circuit neuromimétique conforme au procédé précédent. L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une représentation sous forme de blocs d'un mode de réalisation d'un procédé de fabrication d'un circuit neuromimétique ; et, - la figure 2 est une représentation du circuit neuromimétique aléatoire obtenu en sortie de l'étape intermédiaire de pulvérisation du procédé de la figure 1. Un circuit neuromimétique est un réseau dont la structure imite celle du cortex : un neurone comporte un corps cellulaire duquel partent une dendrite, constituant une entrée pour les signaux, et une pluralité d'axones, constituant chacun une sortie pour les signaux. La dendrite et les axones d'un neurone sont respectivement interconnectés avec un axone et les dendrites d'autres neurones pas l'intermédiaire de synapses. Une synapse permet la transmission d'un influx nerveux entre un neurone amont et un neurone aval. L'efficacité de la transmission est modifiable de manière analogique et non- volatile. Le procédé de fabrication d'un circuit neuromimétique présenté ici permet la réalisation d'un réseau comportant des noeuds, dont la fonction se rapproche de celle d'un neurone, et de liens entre deux noeuds, dont la fonction se rapproche de celle d'une synapse entre deux neurones. Les différentes étapes du procédé de fabrication d'un circuit neuromimétique sont représentées sur la figure 1. Le procédé comporte une étape 110 consistant à fournir un substrat 10. Le substrat 10 est par exemple de forme rectangulaire et présente une épaisseur faible par rapport à sa longueur et à sa largeur. Le substrat 10 est par exemple en silicium. Une face 12 dite supérieure du substrat 10 porte une pluralité de plots 14 formant des contacts électriques. Chaque plot 14 est par exemple un transistor CMOS gravé sur la face supérieure 12 du substrat. Avantageusement, chaque plot 14 est connecté électriquement, à travers l'épaisseur du substrat 10, à une borne de connexion électrique située sur une face 16 dite inférieure du substrat 10. En variante, un plot 14 constitue l'extrémité d'une borne de connexion électrique reliée à un transistor CMOS gravé sur la face 16 inférieure du substrat. Les plots 14 sont disposés selon un motif. Par exemple, ils forment un motif en grille, les plots étant disposés au croisement des lignes et des colonnes de la grille. Le pas 2 entre deux plots successifs selon une ligne ou une colonne de la grille constitue une distance caractéristique entre plots voisins. Le procédé comporte une étape 120 consistant à préparer une solution comportant des objets nanométriques unidimensionnels à résistance variable et non- volatile 18. De tels objets sont à résistance variable et non-volatile car leur résistance électrique est modifiable de manière analogique par application d'un stimulus et ils présentent la capacité de retenir la valeur de résistance électrique ainsi modifiée. De tels objets sont unidimensionnels car ils présentent une dimension d'au moins une dizaine de nanomètres selon leur direction principale, et de quelques nanomètres seulement selon les deux directions perpendiculaires à la direction principale. De tels objets nanométriques unidimensionnels peuvent être creux, ils sont alors dénommés nanotubes, ou remplis, ils sont alors dénommés nanofils. Comme exemples de tels objets, on trouve les nanofils/nanotubes à changement de phase, dont la résistance électrique est modifiable par application d'une tension de configuration dont la valeur est comprise dans une gamme adaptée. Les objets 18 sont ainsi de préférence des nanofils à base de InSe ou de GeSbTe. Les objets 18 mis en solution sont sélectionnés de manière à ce que la distribution en longueur des objets 18 en solution soit adaptée au pas p entre plots voisins. Par exemple, la distribution en longueur présente une longueur moyenne Imy égale à -fi p. La concentration en nombre des objets 18 par unité de volume de la solution préparée est également adaptée au pas p entre plots voisins, c'est-à-dire à la surface caractéristique à recouvrir. Par exemple, la concentration est telle qu'elle conduit à une distribution en nombre par unité de surface présentant un nombre moyen n'y de 10 objets 18 par p*p. Les objets 18 sont mis en solution dans un solvant 20 adapté. Le solvant 20 se caractérise par une température d'évaporation. De préférence, le solvant est un solvant organique, tel que le propanol ou le N-méthyl-pyrrolidone (dénommé NMP) ou le Di- méthyl-formaldeide (dénommé DMF). A l'étape 130, la solution est pulvérisée (« spraying » en anglais) sur la face supérieure 12 du substrat 10. Cette étape est connue en soi. Cette étape prévoit l'utilisation d'une machine de pulvérisation 25. Une telle machine est connue. Elle est par exemple décrite dans le document FR 2 966 062 Al. Des gouttelettes de la solution sont déposées de manière sensiblement uniforme sur la face supérieure 12 du substrat 10 chauffée à une température supérieure à la température d'évaporation du solvant. De cette manière, le solvant s'évapore instantanément au contact du substrat 10 de manière à éviter la formation de dépôts du type « gouttes de café », présentant une distribution non-uniforme où les nanomatériaux sont concentrés sur des cercles. Après un temps de déposition, le solvant 20 s'est évaporé et les objets 18 reposent sur la face 12. A la suite de cette étape de pulvérisation, le circuit 30 obtenu est un réseau complètement aléatoire dont chaque noeud est constitué par un plot 14 et chaque lien, par au moins un objet 18. Le circuit 30 constitue une réalisation pratique de ce qui, dans la littérature, est dénommé réseaux denses et désordonnés d'interconnexions. De tels réseaux ont été étudiés uniquement sur un plan théorique et statistique, par exemple dans l'article C. Teuscher et al., IEEE Proceedings of the ACM International Symposium on Nanoscale Architecture p.16 (2008). Les caractéristiques stochastiques du circuit 30 dépendent du motif formé par les plots 14, de la distribution en longueur des objets 18, et de la distribution en nombre par unité de surface des objets 18. Ainsi, comme cela est illustré surfa figure 2, certains des objets 18 sont en contact d'aucun plot, d'autres, d'un seul plot, d'autres enfin, de deux ou d'un petit nombre de plots. Avantageusement, la possibilité de percolation entre les objets 18 déposés au cours de l'étape de pulvérisation 130 est exploitée pour atteindre un nombre très élevé de plots de sortie connectés à un même plot d'entrée. Ceci permet donc de démultiplier les interconnexions entre plots 14. Ainsi certains des objets 18 sont en contact d'aucun autre nanofil, d'autres, d'un seul nanofil, d'autres enfin, de deux ou d'un petit nombre d'objets. Deux plots 14 peuvent être interconnectés par un lien constitué par plusieurs objets 18 en contact, au moins deux à deux. Il est à souligner que le circuit 30 obtenu est aléatoire non seulement en ce qui concerne les liens entre plots 14, mais également en ce qui concerne les fonctions des plots qui sont interconnectés avec au moins un autre plot. En effet, à cet instant du procédé, de tels plots n'ont pas de fonction déterminée : plot d'entrée, plot de sortie ou plot d'entrée/sortie. L'étape de pulvérisation 130 peut se faire sans contrainte de sorte que le circuit 30 obtenu est totalement aléatoire. L'étape de pulvérisation peut, en variante, s'effectuer sous contraintes de manière à contraindre la déposition des objets 18 selon une ou plusieurs directions privilégiée(s) et ainsi orienter l'organisation des liens du circuit. Par exemple, un champ électrique et/ou magnétique est créé dans l'espace entre la buse de pulvérisation de la machine 25 utilisée et la face supérieure 12 du substrat. Par exemple encore, une tension alternative est appliquée, au cours de l'étape de pulvérisation, entre deux plots 14. Les objets 18 déposés auront alors tendance, par diélectrophorèse, à s'aligner, entre ces deux plots, selon la direction des lignes du champ électrique. On attend que le solvant de la solution soit évaporé et l'on recommence l'opération pour une autre paire de plots. Le procédé se poursuit par une étape 140 de configuration du circuit aléatoire de manière à obtenir un circuit neuromimétique 40. L'étape 140 consiste d'abord à nettoyer le circuit aléatoire 30 en utilisant un procédé de nettoyage permettant d'éliminer les objets 18 déposés dans certaines zones de la face 12, par exemple une zone entre des plots 14 devant fonctionner en tant qu'entrée et qui ne doivent pas être interconnectés entre eux. Ainsi, les interférences potentielles entre certains plots 14 sont éliminées. Lorsque les objets nanométriques unidimensionnels utilisés sont des nanotubes de carbone, le procédé de nettoyage consiste en l'application d'un plasma « oxygène » sur la zone considérée. Des procédés similaires à ceux utilisés pour la gravure de circuit sont envisageables pour des nanofils/nanotubes. L'étape 140 consiste ensuite à activer un plot en y injectant un courant tout en appliquant aux autres plots du circuit 30 une tension de lecture. De cette manière, il est possible de déterminer les plots interconnectés entre eux. L'étape 140 consiste enfin en l'application d'au moins un stimulus entre deux plots 14 effectivement interconnectés de manière à modifier la valeur de la grandeur caractéristique de l'objet 18. Lorsque cette grandeur est une résistance, le stimulus est une tension de configuration du lien entre les plots considérés. La valeur de cette tension de configuration est choisie en fonction de la valeur de la résistance électrique que l'on souhaite conférer au lien, c'est-à-dire au(x) objet(s) constituant ce lien. Dit autrement, la résistance électrique du ou des objet(s) entre les deux plots considérés est modifiée en utilisant des signaux électriques dont la tension est choisie dans une gamme de valeurs permettant un changement d'état de l'objet. Chaque lien entre deux plots 14 est ainsi configuré pour qu'il se comporte comme une synapse entre deux neurones. A l'issue de l'étape 140, le circuit neuromimétique 40 obtenu est prêt à être utilisé, par exemple dans un système de traitement cognitif de l'information. L'utilisation du circuit neuromimétique 40 consiste par exemple à appliquer des tensions de lecture entre les plots 14. La valeur d'une tension de lecture est choisie dans une gamme de valeurs inférieure à la gamme de valeurs des tensions pour la configuration des liens du réseau. D'autres utilisations sont également envisageables, en particulier de manière à modifier la résistance électrique d'un lien en fonction de l'utilisation de ce lien. L'homme du métier constatera que la mise en oeuvre du procédé présenté ci- dessus est particulièrement facile. Il ne comporte qu'un petit nombre d'étapes technologiques. Ce procédé qui est du type «bottom-up » permet de fabriquer facilement des circuits neuromimétiques présentant une grande densité d'interconnexions. Ceci provient du fait qu'il y a coïncidence entre une synapse entre neurones et un lien électrique, réalisé par un ou plusieurs objet(s) nanométrique(s) unidimensionnel(s), entre deux plots formant noeud. Ce procédé permet d'obtenir à moindre coût des circuits neuromimétiques.5 REVENDICATIONS1.- Circuit neuromimétique (40), caractérisé en ce qu'il comporte un réseau aléatoire (30), ledit réseau aléatoire comportant : - des noeuds, chaque noeud étant constitué par un plot formant contact électrique portée sur une face d'un substrat (10) ; et, - des liens entre noeuds, chaque lien étant constitué par au moins un objet nanométrique unidimensionnel à résistance variable et non-volatile (18) présentant une résistance configurée suite a l'application d'un stimulus adapté entre au moins une paire de plots connectés par ledit lien. 2.- Circuit selon la revendication 1, dans lequel chaque objet nanométrique unidimensionnel à résistance variable et non-volatile est un nanofil ou un nanotube. 3.- Circuit selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel chaque objet nanométrique unidimensionnel à résistance variable et non-volatile est à changement de phase. 4.- Procédé de fabrication d'un circuit neuromimétique, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes consistant à : - fournir (110) un substrat (10) dont une face (12) porte une pluralité de plots (14) formant contacts électriques ; - préparer (120) une solution comportant des objets nanométriques unidimensionnels à résistance variable et non-volatile (18) ; - pulvériser (130) sur ladite face du substrat ladite solution de manière à obtenir un réseau aléatoire (30), ledit réseau aléatoire comportant des noeuds constitués par les plots et des liens constitués respectivement par au moins un objet nanométrique unidimensionnel ; et, - configurer (140) le réseau aléatoire en appliquant un stimulus adapté entre au moins une paire de plots du réseau aléatoire connectés par un lien, pour adapter la résistance dudit au moins un objet nanométrique unidimensionnel constitutif dudit lien, de manière à obtenir un réseau neuromimétique (40). 5.- Procédé selon la revendication 4, dans lequel l'étape (120) consistant à préparer une solution comportant des objets nanométriques unidimensionnels àrésistance variable et non-volatile (18) consiste à déterminer une distribution en longueur desdits objets et une distribution en nombre desdits objets par unité de volume. 6.- Procédé selon la revendication 5, dans lequel la détermination d'une distribution en longueur et d'une distribution en nombre par unité de volume est effectuée en fonction d'une distribution des distances séparant les plots (14) sur le substrat (10). 7.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, dans lequel l'étape (130) de pulvérisation est réalisée sous contraintes de manière à orienter la formation des liens entre les plots (14). 8.- Solution comportant des objets nanométriques unidimensionnels à résistance variable et non-volatile (18), caractérisée en ce qu'elle est propre à être utilisée pour la mise en oeuvre d'un procédé de fabrication d'un circuit neuromimétique (40) conforme à l'une quelconque des revendications 4 à 7.