Quatre-vingts ans après que l’University of Pennsylvania a offert au monde ENIAC, le premier ordinateur électronique universel, des chercheurs de cette même institution travaillent sur un projet qui pourrait redéfinir l’informatique à son niveau le plus fondamental. Non pas en rendant les puces plus rapides au sens classique, mais en repensant avant tout ce qui transporte l’information en leur sein.
La proposition : remplacer les électrons par la lumière.
Pourquoi le matériel alimentant l’IA d’aujourd’hui heurte un mur
Chaque ordinateur construit depuis ENIAC, du smartphone dans notre poche aux data centers exécutant de grands modèles d’IA, fonctionne selon le même principe de base. Les électrons se déplacent à travers des matériaux, et ce mouvement code et traite l’information. Cela a extrêmement bien fonctionné pendant des décennies. Mais les électrons possèdent une charge électrique, et cette charge crée des problèmes qui s’accumulent à mesure que les systèmes gagnent en complexité.
Lorsque les électrons se déplacent à travers les matériaux des puces, ils génèrent de la chaleur et rencontrent de la résistance. De l’énergie est gaspillée. À l’échelle des systèmes d’IA modernes, qui traitent en continu d’énormes volumes de données, ces pertes sont loin d’être négligeables. Il devient de plus en plus difficile de contourner les limites physiques du matériel basé sur les électrons, et les besoins énergétiques de l’IA augmentent plus vite que ce que la conception de puces conventionnelles ne peut supporter.
C’est dans ce contexte que l’informatique photonique, l’idée d’utiliser des particules de lumière appelées photons au lieu d’électrons, suscite un vif intérêt scientifique.
La particule qui fait le pont entre deux mondes
Les photons possèdent des propriétés qui les rendent attrayants pour l’informatique. Comme l’explique Li He, co-premier auteur d’un article publié dans Physical Review Letters et ancien chercheur postdoctoral au Zhen Lab à Penn : les photons ont une charge neutre et une masse au repos nulle, ce qui leur permet de transporter rapidement des informations sur de longues distances avec une perte d’énergie minimale. C’est pourquoi la lumière domine déjà les technologies de communication.
Le problème réside dans le revers de ces mêmes propriétés. Comme les photons interagissent à peine avec leur environnement, ils ont du mal à effectuer les opérations de commutation dont dépend l’informatique. Un système capable de transporter efficacement l’information mais incapable de prendre des décisions avec elle n’est pas encore un ordinateur.
C’est ce qui rend significatifs les travaux du physicien Bo Zhen et de son équipe de la School of Arts and Sciences de Penn. Leur approche ne se contente pas d’utiliser la lumière à la place des électrons. Elle crée un nouveau type de particule qui combine les propriétés des deux.
Cette particule est appelée un exciton-polariton. Elle se forme lorsque des photons sont fortement couplés à des électrons à l’intérieur d’un matériau semi-conducteur d’une épaisseur atomique. Le résultat est une quasi-particule qui conserve l’efficacité de la lumière pour transporter l’information tout en acquérant suffisamment d’interaction avec son environnement pour exécuter la logique de commutation exigée par l’informatique.
L’équipe a démontré une commutation entièrement optique en utilisant environ 4 quadrillionièmes de joule d’énergie. Ce chiffre mérite qu’on s’y arrête : il est bien inférieur à l’énergie nécessaire pour alimenter brièvement une minuscule LED. La commutation s’est produite sans convertir les signaux lumineux en signaux électroniques, ce qui est précisément l’étape de conversion qui limite actuellement les puces d’IA photoniques.
Voici ce que la plupart des analyses de l’informatique photonique manquent : de nombreuses puces d’IA photoniques expérimentales utilisent déjà la lumière pour certains calculs. Le goulot d’étranglement ne réside pas dans les phases linéaires et rapides du calcul. Il se trouve dans les étapes d’activation non linéaires, les opérations de prise de décision, où les systèmes photoniques actuels doivent faire appel à l’électronique. Cette conversion ralentit le traitement et augmente la consommation d’énergie, annulant en partie les avantages de l’utilisation de la lumière. Les excitons-polaritons apportent une solution à ce problème spécifique.
Ce que cela signifie au-delà du laboratoire
Les implications, si cette technologie peut être déployée à plus grande échelle, s’étendent dans plusieurs directions.
Les systèmes d’IA figurent parmi les charges de travail informatiques les plus énergivores jamais conçues. La capacité d’effectuer une plus grande partie de ces calculs dans le domaine photonique, sans conversions répétées entre la lumière et l’électricité, pourrait réduire considérablement les besoins en énergie des grandes infrastructures d’IA. Cela compte non seulement pour des raisons de coût, mais aussi pour la question plus vaste de la manière dont nos sociétés soutiendront le développement de l’IA à mesure qu’elle grandit.
Les chercheurs de Penn soulignent également une application plus immédiate : des puces photoniques capables de traiter l’information directement depuis des caméras, sans étape de conversion. Les systèmes d’IA basés sur la vision, essentiels à la robotique, aux véhicules autonomes et à l’imagerie médicale, nécessitent actuellement que les données lumineuses entrantes soient converties en signaux électroniques avant le début du traitement. Une puce fonctionnant nativement dans le domaine photonique pourrait gérer cette chaîne de traitement de manière beaucoup plus efficace.
Ces recherches orientent également vers l’informatique quantique. Les excitons-polaritons pourraient potentiellement prendre en charge des fonctions quantiques de base sur de futures puces, bien que cette application reste encore éloignée d’une mise en œuvre pratique.
Ces travaux ont été soutenus par l’US Office of Naval Research et la Sloan Foundation. Parmi les autres auteurs figurent Zhi Wang et Bumho Kim de la School of Arts and Sciences de Penn. Li He, qui a co-dirigé les recherches, est aujourd’hui professeur assistant à la Montana State University.
En résumé
Les électrons alimentent l’informatique depuis ENIAC. Ils atteignent aujourd’hui des limites physiques particulièrement critiques pour l’IA. Les photons transportent l’information de manière efficace, mais ne peuvent pas exécuter la logique de commutation nécessaire aux ordinateurs. Des chercheurs de Penn ont créé une particule hybride, l’exciton-polariton, qui combine les propriétés des deux, permettant une commutation entièrement optique à des niveaux d’énergie extrêmement bas. Si cette approche passe à l’échelle, elle pourrait réduire le coût énergétique des systèmes d’IA et lever un goulot d’étranglement majeur dans la conception des puces photoniques. La physique est nouvelle. Le problème qu’elle aborde est urgent.
D’après un reportage de ScienceDaily AI.