Processeur optique ou photonique. C’est le nom donné aux puces de demain, qui exploitent les ondes lumineuses pour révolutionner l’informatique. Par leur capacité à exécuter à la vitesse de la lumière les calculs les plus complexes, elles affichent de meilleures performances que l’électronique classique.
En d’autres termes, on s’affranchit des fils de cuivre, composants essentiels des processeurs habituels, pour miser sur la lumière. Et donc les photons, pour transférer les données numériques. Pourquoi ce choix ? La possibilité de lancer tous les calculs en parallèle puisqu’il n’y a quasiment aucune collision entre les photons, contrairement aux électrons. Autre avantage : des économies monstres en termes d’énergie, considérée de 1 à 100, puisque le faisceau lumineux ne chauffe pas !
Une sécurité optimale
Sans oublier la sécurité puisqu’il n’y a pas de mémoire à l’intérieur de ses puces. « Personne ne peut pirater une mémoire inexistante pour accéder à vos données » résume Firooz Aflatouni, professeur associé en génie électrique et systèmes à l’université de Pennsylvanie.
Lauréat de la prestigieuse médaille Benjamin Franklin, le professeur H. Nedwill Ramsey Nader Engheta s’est associé à son confrère Aflatouni pour dévoiler sa puce silicium-photonique (SiPh). Un article récent de Nature Photonics rapporte leurs travaux conjoints pour concevoir une plateforme capable d’exécuter la multiplication vectorielle-matrice. C’est une opération essentielle dans le fonctionnement des réseaux neuronaux, moteurs du Machine Learning et de l’intelligence artificielle.
Des opérations complexes à la vitesse de la lumière
Plutôt que d’utiliser une plaque de silicium uniformément haute, Engheta explique qu’ils ont affiné le silicium à environ 150 nanomètres. Mais uniquement dans des zones spécifiques. Ces variations de hauteur, sans l’ajout d’autres matériaux, offrent un contrôle précis sur la propagation de la lumière à travers la puce. C’est comme un labyrinthe simplifiée pour guider le faisceau.
Ainsi, les motifs de variation de hauteur peuvent être exploités pour manipuler la lumière selon des schémas spécifiques. Ils permettent à la puce d’effectuer des opérations mathématiques à la vitesse de la lumière. Il y a un an, Francesco Morichetti, directeur du Laboratoire de dispositifs photoniques à Milan expliquait les avantages des puces photoniques appliquées au domaine de l’Intellgence artificielle.
« Un neurone artificiel, comme un neurone biologique, doit effectuer des opérations mathématiques élémentaires. Comme l’addition et la multiplication », expliquait-il. « Mais dans un réseau neuronal composé de nombreux neurones densément interconnectés, le coût énergétique de ces opérations augmente de façon exponentielle et devient rapidement prohibitif. Notre puce intègre un accélérateur photonique qui permet d’effectuer des calculs très rapidement. Mais aussi efficacement à l’aide d’une grille programmable d’interféromètres en silicium. Le temps de calcul est égal au temps de transit de la lumière dans une puce de quelques millimètres, on parle donc de moins d’un milliardième de seconde. »
Une intégration possible
Pour sa part, Aflatouni précise que cette conception est déjà conforme aux exigences de la fonderie actuelle. Cette puce est prête pour des applications commerciales. Elle pourrait même être adaptée pour être intégrée dans des processeurs graphiques (GPU), comme ceux de nVidia.
Avec l’intérêt croissant pour les systèmes d’IA, la demande a considérablement augmenté. « Les plateformes Silicon Photonics pourraient devenir des modules complémentaires pour les GPU », explique-t-il, « ce qui permettrait d’accélérer les tâches de formation et de classification ».
Fabrice Auclert – Science & Vie
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