Quand le fonctionnement du cerveau inspire l’IA

La nouvelle chaire MEIE en calcul neuromorphique de l’Université de Sherbrooke, financée par le ministère de l’Économie, de l’Innovation et de l’Énergie (MEIE), permettra à deux professeurs-chercheurs de forger l’intelligence artificielle de demain en s’inspirant fortement du fonctionnement du cerveau. L’un des objectifs de la recherche sur l’intelligence artificielle est justement d’en arriver à traiter l’information de la même façon que le ferait un humain. Les travaux de la chaire se dérouleront à l’Institut interdisciplinaire d’innovation technologique (3IT), centre de recherche névralgique de la neuromorphique au Québec, et bénéficieront de cet environnement unique permettant de couvrir l’ensemble de la chaine d’innovation.

Grâce aux travaux de recherche développés dans le cadre de cette chaire, plusieurs appareils portables tels que les montres intelligentes, les dispositifs de suivi du sommeil ou de la fréquence cardiaque, les appareils mobiles d’électroencéphalographie (EEG) et les appareils auditifs pourraient voir leur efficacité s’améliorer considérablement sans nécessiter un accès à des infrastructures de calcul centralisées. Les deux cotitulaires sont Sean Wood, professeur au Département de génie électrique et génie informatique, ainsi que Fabien Alibart, professeur associé à la Faculté de génie et chercheur CNRS membre du laboratoire international Nanotechnologies et Nanosystèmes, IRL-LN2, basé à Sherbrooke.

L’objectif de la chaire est le développement de dispositifs portables innovants avec intelligence artificielle embarquée à très faible consommation énergétique. L’approche préconisée pour développer ces systèmes neuromorphiques est la coconception : les deux chercheurs aux expertises complémentaires s’alimentent mutuellement pour faire progresser le projet de recherche, couvrant ainsi autant les aspects logiciels que matériels de la chaire. On veut en arriver à pouvoir proposer une combinaison optimisée entre les algorithmes bio-inspirés qui seront développés et leur implémentation sur le matériel, sur les puces électroniques.

Bio-inspiration des systèmes neuronaux

Le professeur Alibart aura comme principale mission le développement des composants pour l’électronique neuromorphique.

On est à l’interface de l’électronique et des neurosciences. Le développement hardware de ces nouveaux systèmes d’intelligence artificielle sera bio-inspiré des vrais systèmes de communication neuronale, ce qui est vraiment stimulant », expose le chercheur. Difficile de reproduire un réseau de neurones sur des puces conventionnelles, car le langage de part et d’autre n’est pas du tout le même. Concevoir des puces qui imitent le plus possible la réalité biologique de l’architecture des réseaux neuronaux devient le principal défi de ces deux chercheurs.

Quand l’innovation passe par les impulsions

Quant au professeur Wood, il sera responsable du volet algorithmique des projets.

Comme les véritables réseaux neuronaux biologiques fonctionnent avec des impulsions électriques, un de nos défis consistera à reproduire de façon informatique ces réseaux de neurones et de synapses ‘à impulsions électriques’. C’est ce que l’on croit fera une réelle différence. Comme ces événements sont isolés dans le temps et parcimonieux, on pense observer une forte diminution de la consommation d’énergie.

On veut déverrouiller les limitations actuelles, poursuit le professeur Wood. Les travaux de recherche de Fabien me guideront pour que je puisse adapter les algorithmes au matériel, puis inversement. Le software et le hardware se côtoieront en se nourrissant l’un et l’autre tout au long des avancées. »

En effet, dans une première phase de la chaire, le développement des algorithmes neuromorphiques sera influencé par des contraintes venant du matériel, puis, par la suite, les algorithmes développés lors de cette première phase seront considérés pour la conception du matériel neuromorphique.

L’intelligence artificielle responsable est un domaine d’avenir pour le Québec. Cette chaire en calcul neuromorphique est un nouvel outil, qui complète l’écosystème des sciences quantiques de calibre mondial qu’on bâtit avec la zone d’innovation DistriQ.

 M. Pierre Fitzgibbon, ministre de l’Économie, de l’Innovation et de l’Énergie, ministre responsable du Développement économique régional et ministre responsable de la Métropole et de la région de Montréal

Augmenter l’autonomie et la fiabilité d’appareils électroniques médicaux

Aussi, les réseaux de neurones artificiels traditionnels utilisent en grande partie une mémoire externe aux processeurs. Cet aspect sera aussi modifié avec l’utilisation d’une mémoire locale. Traiter l’information directement sur la puce permettra d’atteindre deux énormes avantages : une diminution notable de la consommation d’énergie et une réduction du temps de calcul entre l’entrée des signaux et la sortie, ce que l’on appelle le temps de latence.

L’autonomie des appareils électroniques est difficile à atteindre, précise Fabien Alibart. Ces appareils présentent souvent une autonomie limitée notamment en raison de la quantité d’information importante échangée entre les réseaux de capteurs et les centres de traitement de l’information délocalisés. En combinant des logiciels d’intelligence artificielle avec des capteurs embarqués, on visera des fonctionnalités beaucoup plus fiables et a basse consommation, ce qui est particulièrement important quand les appareils en question doivent présenter une grande autonomie et servent par exemple au suivi de la fréquence cardiaque, à la surveillance du sommeil, à la détection des chutes et au dépistage des conditions médicales critiques. 

3IT : centre de l’IA embarquée au Québec

Les processeurs neuromorphiques développés au 3IT contiendront les premières puces neuromorphiques à mémoires co-intégrées. « Cette chaire a été construite sur la base de l’expertise de l’Université de Sherbrooke pour créer des continuums de collaboration entre le monde universitaire et le secteur privé, dans un contexte établi de collaboration internationale avec le laboratoire LN2. Les développements projetés dans le cadre de cette chaire serviront de levier pour positionner le Québec dans le domaine de l’IA basée sur les composants neuromorphiques. Nous pourrons ainsi contribuer à former une relève spécialisée dans le domaine, bénéficiant d’un environnement de formation international exemplaire tout en nouant des partenariats durables avec un ensemble de partenaires industriels dans toute la chaine de valeur de ce secteur de l’IA », précise le professeur Vincent Aimez, vice-recteur à la valorisation et aux partenariats.