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May 08, 2023

Informatique optique : le pouvoir de la lumière

Molly Loé

Molly Loé

@TechHQ

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Source : Shutterstock

• Les ordinateurs optiques fonctionnent par transfert photonique. • Ils pourraient être rapides, avec une perte de chaleur minimale pendant le transfert. • Il existe une controverse sur les promesses de la technologie photonique.

L'informatique optique devient rapidement un acteur majeur, en particulier dans le domaine de l'IA. Vous seriez pardonné de ne jamais en avoir entendu parler, mais cela implique des lasers et la vitesse de la lumière, alors pourquoi ne pas en savoir plus ?

Les ordinateurs optiques, également connus sous le nom d'ordinateurs photoniques, effectuent des calculs numériques en utilisant – vous l'avez deviné – des photons. Les ondes lumineuses produites par des lasers ou des sources incohérentes sont utilisées comme moyen principal pour effectuer des calculs numériques, le raisonnement, l'intelligence artificielle, le traitement de données, le stockage de données et les communications de données pour l'informatique.

Comme tout ordinateur, un ordinateur optique a besoin de trois choses pour bien fonctionner :

L'histoire de l'informatique optique est étroitement liée au développement des systèmes radar. Dans les années 1960, l'invention du laser a vu les premiers schémas d'ordinateur tout optique proposés, et depuis les années 1990, l'accent s'est déplacé vers l'interconnexion optique de réseaux de pixels intelligents à semi-conducteurs.

Les ordinateurs traditionnels utilisent des électrons pour effectuer des calculs, mais les photons ont la capacité de permettre une bande passante plus élevée ; les faisceaux visibles et infrarouges (IR) se croisent sans interagir, contrairement aux électrons, de sorte qu'ils peuvent être contraints à ce qui est effectivement un calcul bidimensionnel.

Le câblage tridimensionnel est nécessaire dans les ordinateurs traditionnels pour diriger les courants électriques les uns autour des autres. Ainsi, un ordinateur photonique peut être plus petit que son homologue plus courant. Comme l'informatique traditionnelle, les ordinateurs optiques utilisent des portes logiques et des routines binaires pour effectuer des calculs, mais la façon dont ces calculs sont effectués diffère.

L'informatique optique peut réaliser un calcul aussi efficace et fiable que les canaux de silicium et les fils de cuivre qui permettent aux ordinateurs électroniques de fonctionner, en utilisant des nanoparticules plasmoniques. De plus, l'absence de fils physiques signifie que les ordinateurs optiques sont moins susceptibles d'être endommagés par la chaleur ou les vibrations.

Parce que les photons peuvent être facilement manipulés et contrôlés, les ordinateurs photoniques sont plus rapides et plus efficaces. Les mouvements des photons peuvent être guidés et contrôlés de telle sorte qu'ils puissent tourner les virages et continuer sans perte de puissance significative. La lumière peut être facilement contenue et perd moins d'informations pendant le voyage, ce qui est particulièrement utile dans les situations où les interconnexions peuvent chauffer, ce qui ralentit le mouvement des électrons.

La photonique a un débit élevé de > 1 To/s par canal (dont il peut y en avoir plusieurs à proximité), par rapport à la capacité du fil de cuivre de 1 Go/s par canal.

L'espoir est que l'utilisation de la lumière ou de la navette d'informations aboutira au développement d'ordinateurs exascale. Les ordinateurs exascale pourraient effectuer des milliards de calculs chaque seconde, 1000 fois plus rapidement que les systèmes les plus rapides actuels.

Ainsi, nous pouvons peser les avantages et les inconvénients de ce mode alternatif comme suit :

Avantages de l'informatique optique :

Les inconvénients sont :

Il existe des désaccords entre les chercheurs en ce qui concerne les capacités des ordinateurs optiques. Qu'ils puissent ou non concurrencer les ordinateurs électroniques à base de semi-conducteurs en termes de vitesse, de consommation d'énergie, de coût et de taille est une question ouverte.

Les critiques affirment que les systèmes logiques du monde réel nécessitent "une restauration du niveau logique, une cascade, une sortie et une isolation entrée-sortie", qui sont tous actuellement fournis par des transistors électroniques à faible coût, faible puissance et haute vitesse. Pour que la logique optique soit compétitive au-delà des applications de niche, des percées majeures dans la technologie des dispositifs optiques non linéaires seraient nécessaires, voire un changement dans la nature de l'informatique elle-même.

Une autre option serait de créer un système hybride qui intègre des solutions optiques dans l'informatique numérique. Cependant, il existe des obstacles à l'utilisation de l'optique dans l'informatique numérique "qui exigent peut-être une vision beaucoup plus prudente de la capacité de l'optique à concurrencer l'électronique numérique".

L'informatique numérique nécessite des éléments non linéaires pour traiter les données numériques. Les fonctionnalités requises des éléments non linéaires sont toutes fournies par des circuits à transistors en informatique électronique. Pour les grands circuits logiques évolutifs, aucun élément ou circuit optique, actif ou passif, ne peut faire tout cela et également rivaliser avec les transistors dans les mesures de consommation d'énergie et de faible encombrement de l'appareil.

Dans les communications numériques, le transfert de données par fibre optique est déjà répandu. La fibre optique utilise la lumière pour la manipulation des données. C'est le domaine dans lequel la technologie optique a le plus avancé : elle est suffisamment utilisée pour être déjà courante dans le lexique du transfert de données.

Les câbles à fibres optiques peuvent contenir un nombre variable de fibres de verre, le long desquelles les informations sont transmises sous forme d'impulsions lumineuses. Les câbles à fibre optique présentent des avantages par rapport aux câbles en cuivre, notamment une bande passante et des vitesses de transmission plus élevées. Vous avez peut-être remarqué que ces pros font écho à ceux de l'informatique optique.

Cependant, le changement est beaucoup plus simple lorsqu'il s'agit de câbles à fibres optiques, qui sont déjà utilisés pour les connexions Internet, la télévision et le téléphone.

Les domaines de recherche active visant à surmonter certaines des limites actuelles de l'informatique photonique comprennent :

Une spin-out du MIT, Lightelligence développe la prochaine génération de matériel informatique. Fondée en 2017, la société affirme avoir "transformé la technologie de pointe de la photonique en solutions informatiques révolutionnaires, qui non seulement apportent des améliorations exponentielles de la puissance de calcul, mais réduisent également considérablement la consommation d'énergie".

Fondamentalement, ses recherches utilisent une plate-forme de fabrication de silicium utilisée pour les puces semi-conductrices traditionnelles, mais d'une manière nouvelle. Dans le domaine optique, les calculs arithmétiques sont effectués avec la physique plutôt qu'avec des transistors à porte logique qui nécessitent plusieurs horloges.

Yichen Shen, co-fondateur et PDG de Lightelligence, a déclaré que parce que le système qu'il développe génère très peu de chaleur, sa consommation d'énergie est inférieure à celle des puces à électrons.

"Nous changeons la manière fondamentale dont l'informatique est faite, et je pense que nous le faisons au bon moment de l'histoire", déclare Shen. "Nous pensons que l'optique sera la prochaine plate-forme informatique, du moins pour les opérations linéaires comme l'IA."

Oui - comme tout le monde de la technologie en ce moment, l'informatique optique a un intérêt direct dans l'IA. Cependant, au lieu de réfléchir à la manière dont l'intelligence artificielle pourrait l'aider, l'informatique photonique pourrait faciliter le développement ultérieur de l'IA.

Par exemple, les véhicules autonomes s'appuient sur des caméras et des calculs d'intelligence artificielle pour prendre des décisions rapides. La puce conventionnelle ne "pense" pas assez vite pour prendre les décisions nécessaires en une fraction de seconde, donc une imagerie informatique plus rapide est nécessaire pour une prise de décision rapide. C'est ce que Lightelligence dit réaliser en utilisant la photonique.

Nous ne pouvions pas parler de changements radicaux dans les systèmes informatiques sans aborder l'informatique quantique. En raison des propriétés uniques de la mécanique quantique, l'informatique quantique peut résoudre des problèmes au-delà des capacités des ordinateurs les plus avancés, y compris la photonique.

Le domaine dans lequel l'informatique optique est en avance sur le quantique est la vitesse à laquelle des calculs (plus simples) peuvent être effectués. Dans certains cas, l'informatique optique est plus rapide que le quantique. Dans de nombreux cas, l'informatique optique fait l'objet de recherches pour une utilisation en tandem avec des ordinateurs quantiques. Les deux ont le potentiel de révolutionner le calcul et le traitement des données.

Nous n'avons pas encore vu d'ordinateur optique, mais nous sommes à la frontière des développements. Depuis 2012, la loi de Moore (selon laquelle le nombre de transistors dans un circuit intégré double tous les deux ans) est caduque : le calcul de l'IA double tous les 3,4 mois. Nous sommes allés incroyablement loin, incroyablement vite.

Les ordinateurs photoniques pourraient être plus proches que nous ne le pensons.

Molly Loé

@TechHQ

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