Des chercheurs ont mis au point un nouveau système informatique basé sur la lumière qui utilise un circuit intégré photonique pour réduire l’énergie nécessaire aux applications de crypto-monnaie et de blockchain. L’extraction de crypto-monnaies comme le bitcoin – un processus de vérification des transactions et d’ajout de nouvelles crypto-monnaies à la blockchain – consomme jusqu’à 1 % de l’énergie mondiale. Cette dépense énergétique devrait augmenter à mesure que les applications de crypto-monnaie et de blockchain se généralisent.
Les crypto-monnaies sont des monnaies numériques créées à l’aide d’algorithmes de cryptage. Ces monnaies alternatives nécessitent une chaîne de blocs (blockchain), un type de registre numérique qui enregistre des informations telles que les transactions d’une manière qui est difficile, voire impossible, à modifier ou à pirater.
“Actuellement, le minage de crypto-monnaies n’est accessible qu’à ceux qui ont accès à de l’énergie à très bas prix – moins de 0,05 $/kWh“, a déclaré le premier auteur, Sunil Pai, qui a effectué les recherches à Stanford et travaille maintenant pour la société d’informatique quantique PsiQuantum. “Nos puces à faible consommation d’énergie permettront aux particuliers du monde entier de participer à l’exploitation minière de manière rentable“.
Dans Optica, la revue du Optica Publishing Group consacrée à la recherche à fort impact, les chercheurs décrivent en détail leur nouveau système appelé LightHash, qui utilise un circuit intégré photonique pour créer une blockchain photonique. En poursuivant leur développement, les chercheurs prévoient que cette approche, si elle est mise en œuvre à grande échelle, pourrait décupler la consommation d’énergie par rapport aux meilleurs processeurs électroniques numériques modernes. David A.B. Miller a codirigé l’équipe de recherche de l’université de Stanford avec Shanhui Fan et Olav Solgaard.
Notre approche de la blockchain photonique pourrait également être utilisée pour des applications au-delà de la crypto-monnaie, comme le transfert sécurisé de données pour les dossiers médicaux, les contrats intelligents et le vote”, a déclaré Pai. “Ce travail ouvre la voie à l’informatique optique à faible consommation d’énergie, qui, à terme, peut réduire la consommation d’énergie des centres de données.”
Une exploitation minière plus verte grâce à la photonique du silicium
Les préoccupations croissantes concernant la grande quantité d’énergie nécessaire au minage des crypto-monnaies ont poussé certaines crypto-monnaies populaires, telles que l’Ethereum, à recourir à des systèmes non éprouvés et potentiellement peu sûrs pour minimiser leur empreinte carbone.
Afin de trouver une approche plus respectueuse de l’environnement tout en maintenant un niveau élevé de sécurité, M. Pai et ses collègues utilisent la photonique du silicium pour réduire les besoins énergétiques des réseaux de crypto-monnaies. LightHash améliore un schéma que l’équipe a développé précédemment, appelé HeavyHash, qui est actuellement utilisé dans les réseaux de crypto-monnaies tels que Optical Bitcoin et Kaspa.
“La principale motivation pour LightHash était la grande sensibilité de HeavyHash aux erreurs matérielles“, a déclaré M. Pai. Étant donné que les ordinateurs analogiques, y compris les ordinateurs photoniques, s’efforcent d’atteindre des taux d’erreur faibles, nous avons conçu LightHash pour conserver toutes les propriétés de sécurité de HeavyHash, tout en améliorant sa robustesse aux erreurs.”
La création sécurisée de Bitcoin ou l’exploitation de son réseau informatique nécessite le calcul d’une fonction de hachage telle que SHA256 ou Heavyhash pour transformer les données d’entrée en un seul nombre de sortie d’une manière trop complexe pour être annulée, ce qui représente la majeure partie de la consommation d’énergie de Bitcoin. Dans leurs nouveaux travaux, les chercheurs ont modifié Heavyhash pour qu’il fonctionne avec une puce photonique en silicium conçue en commun et dotée d’un réseau 6×6 d’interféromètres programmables. Cela a permis un traitement optique à faible énergie des multiplications de matrices, qui constituent l’essentiel du calcul dans Lighthash.
Pour évaluer la faisabilité de l’utilisation de LightHash pour la multiplication de matrices, les chercheurs ont construit un dispositif optique permettant de contrôler et de suivre la propagation de la lumière en réglant les éléments chauffants et en visualisant les taches du réseau sur une caméra infrarouge. Ils ont également mis en œuvre un algorithme d’atténuation des erreurs et établi des critères de faisabilité pour la mise à l’échelle de la technologie.
Calcul précis et à faible consommation d’énergie
Les résultats expérimentaux obtenus avec la puce photonique en silicium ont correspondu à ceux obtenus à l’aide des prévisions d’erreur simulées. “Nos résultats suggèrent que LightHash peut être calculé à grande échelle en utilisant la technologie actuelle des puces photoniques en silicium“, a déclaré M. Pai. “Essentiellement, nous avons conçu un moyen d’utiliser des circuits optiques analogiques pour effectuer des multiplications avec une dissipation d’énergie proche de zéro, tout en étant suffisamment précis pour être utilisé dans un système de cryptage numérique“.
Pour que LightHash présente des avantages considérables par rapport à ses équivalents numériques, il doit être étendu à 64 entrées et sorties. Les chercheurs s’efforcent également de réduire encore la consommation d’énergie en concevant des éléments de réglage électromécaniques à faible consommation d’énergie et des convertisseurs économes en énergie pour transformer les signaux optiques en signaux électriques.
Selon eux, comme la nouvelle puce accélère la multiplication matricielle, l’opération la plus gourmande en calcul pour les applications d’intelligence artificielle, elle pourrait également contribuer à rendre la formation et l’application des réseaux neuronaux photoniques plus efficaces sur le plan énergétique par rapport aux implémentations numériques conventionnelles.
“Il sera intéressant de voir comment la technologie des crypto-monnaies évolue et dans quelle mesure la photonique peut contribuer au rôle de plus en plus courant des grands livres décentralisés dans la société d’aujourd’hui“, a déclaré M. Pai.
Illustration image : Le nouveau système crée une blockchain photonique à l’aide d’un circuit intégré photonique, le petit rectangle métallique. Crédit image / Stanford University
Papier : S. Pai, T. Park, M. Ball, B. Penkovsky, M. Dubrovsky, N. Arebe, M. Milanizadeh, F. Morichetti, A. Melloni, S. Fan, O. Solgaard, D. A. B. Miller, “Experimental evaluation of digitally-verifiable photonic computing for blockchain and cryptocurrency,” 10, 4 (2023).
DOI : 10.1364/OPTICA.476173
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