L’IA propulsée par des puces photoniques sans lithographie

La récente révolution des puces photoniques a bouleversé le paysage des technologies gourmandes en données. Utilisées seules ou combinées avec des circuits électroniques traditionnels, ces dispositifs alimentés par laser permettent d’envoyer et de traiter des informations à la vitesse de la lumière, offrant ainsi une solution prometteuse pour les applications d’intelligence artificielle requérant d’énormes quantités de données.

Leur vitesse inégalée n’est pas le seul avantage des circuits photoniques : ils consomment également beaucoup moins d’énergie que leurs homologues électroniques. En effet, les électrons se déplacent lentement dans les matériaux, entrant en collision avec d’autres particules et générant de la chaleur, tandis que les photons circulent sans perte d’énergie et sans produire de chaleur. Grâce à cette absence de perte d’énergie, la photonique intégrée est amenée à jouer un rôle majeur dans le développement de l’informatique durable.

Bien que reposant sur des domaines scientifiques distincts et utilisant des architectures différentes, la photonique et l’électronique ont toutes deux recours à la lithographie pour définir les éléments de leurs circuits et les connecter de manière séquentielle. Les puces photoniques ne font pas appel aux transistors qui occupent les sillons de plus en plus étroits et stratifiés des puces électroniques. Cependant, leurs motifs lithographiques complexes guident les faisceaux laser à travers un circuit cohérent, formant un réseau photonique capable d’exécuter des algorithmes de calcul.

Mais pour la première fois, des chercheurs de l’école d’ingénierie et de sciences appliquées de l’université de Pennsylvanie ont créé un dispositif photonique qui permet le traitement programmable de l’information sur la puce sans lithographie, offrant ainsi la vitesse de la photonique augmentée d’une précision et d’une flexibilité supérieures pour les applications de l’intelligence artificielle.

Ce dispositif, qui permet un contrôle inégalé de la lumière, se compose d’un gain et d’une perte optiques répartis dans l’espace. Les lasers projettent la lumière directement sur une plaquette de semi-conducteur, sans qu’il soit nécessaire de définir des chemins lithographiques.

Liang Feng, professeur aux départements de science et d’ingénierie des matériaux (MSE) et de systèmes électriques et d’ingénierie (ESE), ainsi que l’étudiant en doctorat Tianwei Wu (MSE) et les boursiers postdoctoraux Zihe Gao et Marco Menarini (ESE), ont présenté la micropuce dans une étude récente publiée dans Nature Photonics.

Les systèmes électroniques à base de silicium ont transformé le paysage informatique. Mais ils présentent des limites évidentes : ils sont lents dans le traitement des signaux, ils traitent les données en série et non en parallèle, et ils ne peuvent être miniaturisés que dans une certaine mesure. La photonique est l’une des alternatives les plus prometteuses, car elle permet de surmonter tous ces inconvénients.

« Mais les puces photoniques destinées aux applications d’apprentissage automatique se heurtent aux obstacles d’un processus de fabrication complexe où le motif lithographique est fixe, limité en termes de reprogrammation, sujet à des erreurs ou à des dommages et coûteux« , explique M. Feng. « En supprimant le besoin de lithographie, nous créons un nouveau paradigme. Notre puce surmonte ces obstacles et offre une précision accrue et une reconfigurabilité ultime grâce à l’élimination de toutes sortes de contraintes liées à des caractéristiques prédéfinies. »

Sans lithographie, ces puces deviennent des centrales de traitement de données adaptables. Comme les motifs ne sont pas prédéfinis et gravés, le dispositif est intrinsèquement exempt de défauts. Plus impressionnant encore, l’absence de lithographie rend la micropuce remarquablement reprogrammable, capable d’adapter ses motifs moulés au laser pour obtenir des performances optimales, que la tâche soit simple (peu d’entrées, petits ensembles de données) ou complexe (beaucoup d’entrées, grands ensembles de données).

En d’autres termes, la complexité ou le minimalisme de l’appareil est une sorte de chose vivante, adaptable comme aucune puce gravée ne pourrait l’être.

« Ce que nous avons ici est quelque chose d’incroyablement simple« , explique M. Wu. « Nous pouvons le construire et l’utiliser très rapidement. Nous pouvons l’intégrer facilement à l’électronique classique. Et nous pouvons le reprogrammer, en changeant les motifs laser à la volée pour obtenir un calcul reconfigurable en temps réel pour l’entraînement sur puce d’un réseau d’intelligence artificielle.

Une simple plaque de semi-conducteur, le dispositif est on ne peut plus simple. C’est la manipulation des propriétés matérielles de cette plaque qui est la clé de la percée de l’équipe de recherche dans la projection de lasers selon des schémas programmables dynamiquement pour reconfigurer les fonctions informatiques du processeur d’information photonique.

Cette reconfigurabilité ultime est essentielle pour l’apprentissage automatique en temps réel et l’IA.

« Ce qui est intéressant, explique M. Menarini, c’est la manière dont nous contrôlons la lumière. Les puces photoniques conventionnelles sont des technologies basées sur des matériaux passifs, c’est-à-dire que ces matériaux diffusent la lumière, la faisant rebondir dans tous les sens. Notre matériau est actif. Le faisceau de lumière de pompage modifie le matériau de telle sorte que lorsque le faisceau de signal arrive, il peut libérer de l’énergie et augmenter l’amplitude des signaux« .

« Cette nature active est la clé de cette science et la solution requise pour réaliser notre technologie sans lithographie« , ajoute M. Gao. « Nous pouvons l’utiliser pour réacheminer les signaux optiques et programmer le traitement des informations optiques sur la puce. »

M. Feng compare cette technologie à un outil artistique, un stylo pour dessiner des images sur une page blanche.

« Ce que nous avons réalisé est exactement la même chose : le pompage de la lumière est notre stylo pour dessiner le réseau informatique photonique (l’image) sur un morceau de plaquette semi-conductrice sans motif (la page blanche).« 

Mais contrairement aux lignes d’encre indélébiles, ces faisceaux de lumière peuvent être dessinés et redessinés, leurs motifs traçant d’innombrables chemins vers l’avenir.

Légende illustration : La lumière crée un réseau informatique sur un morceau de plaquette de semi-conducteur sans motif. La réalisation de l’équipe du laboratoire Feng permet un traitement sur puce sans gravure lithographique, ce qui indique une fabrication moins chère et plus facile et une précision supérieure pour les applications de l’intelligence artificielle.

Crédit / Université de Pennsylvanie