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Edito : L'ordinateur biologique, nouvelle frontière de l'informatique...

On le sait, l'électronique n'en finit pas de plonger vers l’infiniment petit et TSMC, devenu leader mondial des semi-conducteurs, vient d'annoncer qu'il comptait atteindre une finesse de gravure d'un nanomètre pour ses transistors en 2030, ce qui lui permettra d'intégrer 200 milliards de transistors sur une seule puce. L'IMEC (Institut Microélectronique des composants), table pour sa part sur des transistors de seulement 0,5 nanomètre (ou 5 angströms), à l'horizon 2035. Mais tout a une fin et les spécialistes s'accordent pour prévoir, qu'en dépit des nouvelles technologies de fabrication, une limite physique ultime à la loi de Moore sera atteinte lorsqu'on parviendra à graver des composants de 3 angströms, ou 0,3 nanomètre. Il sera en effet très difficile d'aller plus loin vers la miniaturisation, à la fois pour des raisons techniques et physiques, mais également à cause du coût faramineux (plus de 100 milliards de dollars) des équipements de production de ces futures puces. Il faut donc, dès à présent, préparer l’après silicium et les chercheurs du monde entier travaillent principalement sur deux ruptures technologiques et conceptuelles qui pourraient permettre de faire entrer l'informatique dans une nouvelle ère ; l'informatique quantique, dont je vous ai souvent parlé et l'ordinateur biologique, moins médiatique, mais qui a fait récemment des pas de géant.

C'est en 2012 que fut présenté le premier ordinateur biologique digne de ce nom, développé par des chercheurs de l’Institute en Californie et du Technion-Israel Institute of Technology. Ce calculateur, utilisant une solution d'ADN et d'ATP, s'est montré capable de déchiffrer des images codées, grâce à des puces à ADN. En 2016, la recherche européenne présentait son projet d'ordinateur biologique ABACUS, qui reposait sur l'utilisation d'adénosine triphosphate (ATP), la molécule qui fournit de l'énergie à toutes les cellules de l'organisme. La même année, des scientifiques de l’Université de Lund (Suède) ont, à leur tour, présenté un concept d'ordinateur biologique capable de résoudre certains problèmes mathématiques beaucoup plus rapidement et de manière plus économe en énergie que les ordinateurs électriques conventionnels. Cette machine reposait sur des moteurs moléculaires constitués par de grosses molécules, comme la myosine et l'actine, qui effectuent des tâches mécaniques dans les cellules vivantes. Ces recherches ont montré qu'il était possible d'effectuer des calculs en organisant les déplacements rapides de ces molécules dans des réseaux de nano-canaux massivement parallèles. Pour Heiner Linke, directeur de NanoLun à l’université de Suède, ce type de machine pourrait concurrencer les ordinateurs quantiques – aux capacités de calcul extrêmement puissantes – sur certains types d’exercices (Voir Lund University).

En juin 2022, des chercheurs de l’université technologique de Dresde, dirigés par Till Korten, ont mis au point une puce moléculaire en verre. Leur concept reposait sur des microtubules qui entassent les kinésines, des protéines motrices, dans les canaux de la puce. En se déplaçant, ces molécules peuvent effectuer de nombreux calculs simultanément. Ces scientifiques précisent que leur bio-ordinateur consomme 10 000 fois moins d’énergie qu’un ordinateur classique. En outre, l’utilisation des protéines ou de l’ADN est bien moins coûteuse que la fabrication de puces électroniques (Voir ACS Publications). En 2013, le quatrième plus grand ordinateur du monde a mis 40 minutes pour modéliser une seconde de 1 % de l'activité cérébrale d'un humain, illustrent les auteurs. Plus récemment, en juin 2022, le superordinateur Enterprise Frontier (OLCF-5) de Hewlett Packard a certes dépassé la puissance de calcul estimée d'un cerveau humain, environ 1 exaflop, soit 100.000 fois plus qu'un MacBook d'Apple. Toutefois, la différence d'efficacité est considérable : un cerveau humain pèse environ 1,4 kg et consomme 20 Watts d'énergie, alors que Enterprise Frontier occupe 680 m2 et consomme 21 Mégawatts, soit un million de fois plus.

D'où l'intérêt de ces recherches qui visent à créer rien moins qu'une nouvelle forme d'intelligence artificielle, baptisée intelligence organoïde (IO). Concrètement, il s'agit d'utiliser des organoïdes cérébraux, c'est-à-dire des cultures de cellules cérébrales humaines en 3D, pour effectuer simultanément des opérations de calcul et de stockage des données. Ces organoïdes sont alimentés en nutriments par de mini-canaux (microfluidique), et les signaux électriques émis et reçus par des puces peuvent ensuite être interprétés par des systèmes d'intelligence artificielle. En février dernier, ces chercheurs de l’Université Johns Hopkins ont présenté leur plan pour parvenir à concevoir un "bio-ordinateur" fonctionnel, alimenté par des cellules cérébrales humaines. « L’informatique et l’intelligence artificielle ont été le moteur de la révolution technologique, mais elles atteignent un plafond physique que nous pouvons dépasser en exploitant la fantastique efficacité des molécules vivantes en matière de traitement de l’information », souligne Thomas Hartung, professeur à la Johns Hopkins Bloomberg School of Public Health et à la Whiting School of Engineering, qui dirige les travaux (Voir Tech Xplore).

Alors que, depuis une vingtaine d’années, des scientifiques ont recours à de minuscules organoïdes, des tissus cultivés en laboratoire, pour expérimenter sur les reins, les poumons et d’autres organes sans avoir besoin de réaliser des expérimentations sur l’homme ou l’animal, l’équipe de Johns Hopkins a fait le choix de travailler sur de minuscules organoïdes cérébraux, de la taille d’une pointe de stylo, pour réaliser des fonctions telles que le calcul, l’apprentissage et la mémoire. Depuis dix ans, ces chercheurs cultivent et assemblent des cellules cérébrales en organoïdes fonctionnels, en utilisant des cellules provenant d’échantillons de peau humaine reprogrammés pour retrouver leur état de cellules souches embryonnaires. Chaque organoïde contient environ 50 000 cellules. L’idée est de combiner de manière ingénieuse ces organoïdes pour arriver à réaliser de véritables ordinateurs polyvalents, qui font merveille dans le domaine de l’IA, tout en consommant bien moins d’énergie et en prenant bien moins de place que les énormes supercalculateurs actuels. Frontier, le dernier supercalculateur du Kentucky, est une installation de 600 millions de dollars qui occupe une surface de 600 m2. Il vient de dépasser, comme je l’ai dit il y a quelques instants, pour la première fois, la capacité de calcul d’un seul cerveau humain, mais en utilisant un million de fois plus d’énergie qu’un cerveau humain. Or, il faut savoir que les besoins en électricité du monde numérique vont doubler entre 2020 et 2025, passant de 3300 à 6500 TWh par an, soit 20 % de la consommation mondiale d’électricité et 5 % des émissions de CO2 (plus de deux milliards de tonnes) prévue à cette échéance. En France, l’ensemble des outils et technologies numériques absorberait déjà 12 % de la consommation électrique nationale, soit environ 55 TWh par an, l’équivalent de la puissance de 10 réacteurs nucléaires... Réduire drastiquement la consommation énergétique et les émissions de CO2 de la sphère informatique et numérique est donc devenu un enjeu environnemental et sociétal majeur.

Début décembre, des chercheurs de l'université d'État de l'Indiana, aux États-Unis, ont présenté un concept appelé Brainoware qui relie des organes cérébraux - organoïdes - à des circuits électroniques, permettant aux tissus cérébraux et aux circuits d'envoyer et de recevoir des signaux électriques. Dans ces recherches, les organoïdes cérébraux ont une taille de quelques millimètres carrés et sont constitués d'environ 100 millions de cellules nerveuses. Les scientifiques ont converti les informations en signaux électriques et les ont envoyées aux organoïdes cérébraux, qui ont détecté et interprété les réponses à l'aide de capteurs et d'algorithmes d'apprentissage automatique. Par cette méthode, 240 fichiers vocaux enregistrés par huit personnes ont pu être convertis en signaux électriques. En seulement 48 heures, cet ordinateur hybride a réussi à reconnaître à 80 % les voix de 8 personnes. Il a également réussi à résoudre des équations non linéaires, de manière il est vrai moins précise qu’un ordinateur classique, mais au terme d’un apprentissage dix fois plus rapide qu’une machine conventionnelle à base de puces électroniques. Ces résultats remarquables résultent, selon les chercheurs, de la capacité unique de cette machine à se réorganiser en réponse à une stimulation électrique, grâce à sa grande plasticité et à l'adaptabilité des organoïdes.

Brainoware montre de manière convaincante qu'il est possible d'intégrer des réseaux neuronaux biologiques et des réseaux neuronaux artificiels au sein d’un nouveau type de système informatique hybride, à la fois plus souple, plus performant et plus sobre en énergie. Ces chercheurs expliquent qu’en imitant le fonctionnement du cerveau, ces machines ont le potentiel de révolutionner l’informatique, en surmontant le clivage entre stockage et traitement de l'information, à l‘origine des goulets d'étranglement dans les ordinateurs actuels et d’une consommation d'énergie considérable. Mais ces chercheurs espèrent également faire d’une pierre deux coups et font valoir que ces recherches sur les organoïdes cérébraux vont permettre aussi des avancées majeures dans la connaissance du cerveau et dans le traitement des maladies neurodégénératives graves, comme Parkinson ou Alzheimer. Le Professeur Peng Guo, de l'Université d'État de l'Indiana, souligne « Qu’il reste encore beaucoup à faire pour relier les organoïdes à l'IA ». Il a également déclaré « Le prochain défi consistera à trouver des moyens d’obtenir des organoïdes cérébraux plus gros, et restant plus stables, afin qu’ils puissent accomplir plus rapidement des tâches plus complexes ».

En septembre dernier, des chercheurs de l’Université Jiao Tong de Shanghai ont annoncé une autre avancée majeure en développant des ordinateurs à base d'ADN. Ces circuits intégrés d’ADN (DICs) ne sont pas figés et peuvent être programmés pour différentes tâches. Ils se distinguent en outre par leur fonctionnement en milieu liquide, une propriété particulièrement intéressante qui explique leur incroyable flexibilité et leur capacité de traiter en parallèle de multiples données. Cette capacité devrait notamment bouleverser le domaine médical, en permettant des diagnostics très précis et très rapides et des micro- dispositifs médicaux intelligents, capables de surveiller l’organisme et administrer si besoin, de manière autonome, des médicaments.

Concrètement, ces chercheurs ont repris les principes des FPGA ou circuits logiques programmables, issus de l’électronique, pour les adapter à ces nouveaux circuits à base d’ADN, appelée DPGAs. Dans ces composants biologiques, des oligonucléotides d’ADN simple brin remplissent un rôle similaire à celui des électrons dans les appareils électroniques. Parallèlement, ces chercheurs ont utilisé la technique de "l’origami ADN", qui permet de plier l’ADN en structures tridimensionnelles précises, ce qui ouvre la voie à de véritables mémoires biologiques, stables et neutres en consommation d’énergie. Pour démontrer les capacités des circuits intégrés d’ADN, ces scientifiques ont développé un prototype de DIC spécifiquement conçu pour résoudre certaines équations quadratiques. Ils ont ainsi pu montrer que ces DICs pouvaient bien remplir des tâches spécifiques, de la même façon que les ordinateurs classiques peuvent exécuter des programmes spécifiques. Mais ces DICs ont également confirmé leur grand potentiel dans l’analyse d’un grand nombre de données médicales complexes. Avec ces composants à ADN, les chercheurs sont parvenus à analyser des échantillons biologiques et à les différencier de manière rapide et précise, confirmant que ces puces biologiques étaient appelées à révolutionner les outils d’analyse et de diagnostic.

Alors que la fin de la loi de Moore semble inéluctable et se profile pour 2035, dictée par les lois de la physique, l’ordinateur biologique apparaît de plus en plus, à la lumière de ces avancées récentes, comme l’une des grandes ruptures conceptuelles technologiques qui permettra, avec l’ordinateur quantique, de donner un nouveau souffle à l’informatique et plus largement à l’ensemble des technologies numériques, en leur apportant une incomparable puissance de calcul et de stockage de l’information, mais également en permettant une réduction drastique des besoins en énergie. La France et l’Europe doivent investir massivement, tant sur le plan public que privé, dans cette voie scientifique et technique d’avenir qui est appelée à transformer profondément nos économies et nos sociétés d’ici le milieu de ce siècle...

René TRÉGOUËT

Sénateur honoraire

Fondateur du Groupe de Prospective du Sénat

e-mail : tregouet@gmail.com

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