Soutenance de thèse – Erwan Plouet

Erwan Plouet soutiendra sa thèse intitulée « Convolutional and dynamical spintronic neural networks » le 07 novembre 2024 à 16h à l’auditorium de TRT.

Résumé :

Cette thèse aborde le développement de composants spintroniques pour le calcul neuromorphique, une approche novatrice visant à réduire la consommation énergétique significative des applications d’intelligence artificielle (IA). L’adoption généralisée de l’IA, y compris des très grands modèles de langage tels que ChatGPT, a entraîné une augmentation des besoins énergétiques, les centres de données consommant environ 1 à 2 % de l’énergie mondiale, avec une projection de doublement d’ici 2030. Les architectures hardware traditionnelles, qui séparent la mémoire et les unités de traitement, ne sont pas adaptées aux tâches d’IA, car les réseaux de neurones nécessitent un accès fréquent à de nombreux paramètres stockés en mémoire, entraînant une dissipation excessive d’énergie. Le calcul neuromorphique, inspiré par le cerveau humain, fusionne les capacités de mémoire et de traitement dans un même dispositif, réduisant potentiellement la consommation d’énergie. La spintronique, qui manipule le spin des électrons plutôt que la charge, offre des composants capables de fonctionner à moindre puissance et de fournir des solutions de traitement efficaces.

Cette thèse est divisée en deux parties principales. La première partie se concentre sur la réalisation expérimentale d’un réseau de neurones convolutif hybride hardware-software (CNN) utilisant des composants spintroniques. Les synapses spintroniques, qui fonctionnent avec des signaux radiofréquences, permettent un multiplexage en fréquence pour réduire le besoin de nombreuses connexions physiques dans les réseaux de neurones. Ce travail de recherche explore divers designs de synapses basées sur des spin diodes AMR, chacune avec des spécificités différentes, et démontre l’intégration de ces synapses dans un CNN matériel. Une réalisation importante a été l’implémentation d’une couche convolutive spintronique au sein d’un CNN qui, combinée à une couche entièrement connectée en software, a réussi à classifier des images du dataset FashionMNIST avec une précision de 88 %, se rapprochant des performances d’un réseau purement software. Les principaux résultats incluent le développement et le contrôle précis des synapses spintroniques, la fabrication de chaînes synaptiques pour la somme pondérée dans les réseaux de neurones, et la mise en œuvre expérimentale réussie d’un CNN hybride avec des composants spintroniques sur une tâche complexe.

La deuxième partie de la thèse explore l’utilisation des nano-oscillateurs spintroniques (STNOs) pour traiter des signaux dépendants du temps à travers leurs dynamiques transitoires. Les STNOs présentent des comportements non linéaires qui peuvent être exploités pour des tâches complexes comme la classification de séries temporelles. Un réseau de STNOs simulés a été entraîné pour discriminer entre différents types de séries temporelles, démontrant des performances supérieures par rapport aux méthodes de calcul par réservoir standards. Nous avons également proposé et évalué une architecture de réseau multicouche de STNOs pour des tâches plus complexes, telles que la classification de chiffres manuscrits présentés pixel par pixel. Cette architecture a atteint une précision moyenne de 89,83 %, similaire à un réseau de neurones récurrents à temps continu (CTRNN) standard équivalent, indiquant le potentiel de ces réseaux à s’adapter à diverses tâches dynamiques. De plus, des méthodes ont été établies pour faire correspondre la dynamique des dispositifs avec les échelles de temps des entrées, cruciales pour optimiser les performances des réseaux de neurones dynamiques. Nous avons démontré qu’un réseau multicouche de STNOs couplés peut être efficacement entraîné via la rétropropagation de l’erreur dans le temps, soulignant l’efficacité et le passage à l’échelle possible du calcul neuromorphique spintronique.

Cette recherche a démontré que les réseaux spintroniques peuvent être utilisés pour mettre en œuvre des architectures spécifiques et résoudre des tâches complexes.