Quand la lumière remplace l’électricité dans les puces

La rapidité de traitement et l’efficacité énergétique des ordinateurs sont primordiales. Une équipe d’ingénieurs aux USA a mis au point une innovation capable de transformer le paysage technologique via la lumière qui devient le nouveau vecteur de calcul pour l’intelligence artificielle.

Les ingénieurs de l’Université de Pennsylvanie ont franchi une étape significative dans le domaine de l’informatique en développant une puce en silicium-photonique (SiPh) qui utilise des ondes lumineuses pour effectuer des calculs mathématiques complexes, essentiels à l’apprentissage de l’intelligence artificielle (IA). Ce dispositif pourrait considérablement accélérer la vitesse de traitement des ordinateurs tout en réduisant leur consommation d’énergie.

Le design de cette puce SiPh est le premier à intégrer les recherches avant-gardistes de Nader Engheta, lauréat de la médaille Benjamin Franklin et professeur H. Nedwill Ramsey, dans la manipulation de matériaux à l’échelle nanométrique pour réaliser des calculs mathématiques à l’aide de la lumière, moyen de communication le plus rapide à ce jour, avec la plateforme SiPh qui utilise le silicium, élément abondant et économique, pour la production de masse de puces informatiques.

Vers des Ordinateurs Surpassant les Limites Actuelles

L’interaction des ondes lumineuses avec la matière ouvre une piste pour le développement d’ordinateurs dépassant les limites des puces actuelles, qui reposent essentiellement sur les mêmes principes que ceux des premiers jours de la révolution informatique des années 1960.

Dans un article publié dans Nature Photonics, le groupe d’Engheta, en collaboration avec celui de Firooz Aflatouni, professeur associé en génie électrique et systèmes, décrit le développement de ce nouveau chip.

« Nous avons décidé d’unir nos forces », indique Nader Engheta, en tirant parti du fait que le groupe de recherche de Firooz Aflatouni a été pionnier dans les dispositifs en silicium à l’échelle nanométrique.

Leur objectif était de développer une plateforme capable d’effectuer ce que l’on appelle la multiplication de matrices par des vecteurs, une opération mathématique fondamentale dans le développement et la fonction des réseaux neuronaux, l’architecture informatique qui alimente les outils d’IA d’aujourd’hui.

Une Technologie Prête pour les Applications Commerciales

Au lieu d’utiliser une galette de silicium de hauteur uniforme, explique Engheta, « vous rendez le silicium plus mince, disons 150 nanomètres », mais uniquement dans des régions spécifiques. Ces variations de hauteur, sans ajout d’autres matériaux, offrent un moyen de contrôler la propagation de la lumière à travers le chip, puisque les variations de hauteur peuvent être distribuées pour provoquer la diffusion de la lumière dans des motifs spécifiques, permettant au chip d’effectuer des calculs mathématiques à la vitesse de la lumière.

En raison des contraintes imposées par la fonderie commerciale qui a produit les chips, Firooz Aflatouni affirme que cette conception est déjà prête pour les applications commerciales et pourrait potentiellement être adaptée pour une utilisation dans les unités de traitement graphique (GPU), dont la demande a explosé avec l’intérêt croissant pour le développement de nouveaux systèmes d’IA.

« Ils peuvent adopter la plateforme Silicon Photonics en tant qu’extension », déclare Firooz Aflatouni, « et ainsi vous pourriez accélérer l’apprentissage et la classification. »

Des Avantages en Termes de Vitesse et de Sécurité

Outre la vitesse accrue et la consommation d’énergie réduite, le chip d’Engheta et d’Aflatouni présente des avantages en matière de confidentialité : comme de nombreux calculs peuvent se produire simultanément, il n’est pas nécessaire de stocker des informations sensibles dans la mémoire vive d’un ordinateur, rendant un futur ordinateur alimenté par une telle technologie pratiquement inviolable.

« Personne ne peut pirater une mémoire inexistante pour accéder à vos informations », affirme t-il.

En synthèse

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce qu’un chip en silicium-photonique (SiPh) ?

Un chip en silicium-photonique est un dispositif qui utilise des ondes lumineuses pour effectuer des calculs, contrairement aux puces traditionnelles qui utilisent l’électricité.

Comment la lumière peut-elle être utilisée pour effectuer des calculs mathématiques ?

La lumière, en interagissant avec des structures nanométriques spécifiquement conçues, peut être manipulée pour diffuser dans des motifs qui permettent d’effectuer des calculs mathématiques à la vitesse de la lumière.

Quels sont les avantages de cette nouvelle technologie ?

Cette technologie offre une vitesse de traitement accrue, une consommation d’énergie réduite et une meilleure sécurité des données.

Cette technologie est-elle prête pour une utilisation commerciale ?

Oui, selon les chercheurs, le design est déjà compatible avec les applications commerciales et pourrait être intégré dans les GPU.

Quel impact cette innovation pourrait-elle avoir sur le développement de l’IA ?

Elle pourrait accélérer considérablement l’apprentissage et la classification dans les systèmes d’IA, ouvrant la voie à des avancées plus rapides dans ce domaine.

Références

Article : « Inverse-designed low-index-contrast structures on silicon photonics platform for vector-matrix multiplication » – DOI: 10.1038/s41566-024-01394-2