Crédit : Nicolle R. Fuller, Sayo Studio
Les chercheurs explorent l’informatique photonique comme alternative aux technologies basées sur le silicium en raison des difficultés de fabrication de minuscules transistors en silicium.
La quête incessante d’ordinateurs plus rapides, plus petits et plus performants a conduit les fabricants à concevoir des transistors de plus en plus petits, qui sont aujourd’hui intégrés par dizaines de milliards dans les puces électroniques.
Jusqu’à présent, cette tactique a fonctionné. Les ordinateurs n’ont jamais été aussi puissants qu’aujourd’hui. Mais il y a des limites : Les transistors traditionnels en silicium ne peuvent pas être plus petits, car il est difficile de fabriquer des dispositifs dont la largeur ne dépasse pas, dans certains cas, quelques dizaines d’atomes. En réponse, les chercheurs ont commencé à développer des technologies informatiques, comme les ordinateurs quantiques, qui ne reposent pas sur des transistors en silicium.
Une autre voie de recherche est l’informatique photonique, qui utilise la lumière à la place de l’électricité, de la même manière que les câbles en fibre optique ont remplacé les fils de cuivre dans les réseaux informatiques. De nouvelles recherches menées par Alireza Marandi, professeur adjoint d’ingénierie électrique et de physique appliquée à Caltech, utilisent du matériel optique pour réaliser des automates cellulaires, un type de modèle informatique consistant en un « monde » (une zone quadrillée) contenant des « cellules » (chaque carré de la grille) qui peuvent vivre, mourir, se reproduire et évoluer en créatures multicellulaires avec leurs propres comportements uniques. Ces automates ont été utilisés pour effectuer des tâches informatiques et, selon Marandi, ils conviennent parfaitement aux technologies photoniques.
« Si vous comparez une fibre optique à un câble en cuivre, vous pouvez transférer des informations beaucoup plus rapidement avec une fibre optique », explique Marandi. « La grande question est de savoir si l’on peut utiliser cette capacité d’information de la lumière pour l’informatique et pas seulement pour la communication. Pour répondre à cette question, nous sommes particulièrement intéressés par la réflexion sur les architectures matérielles informatiques non conventionnelles qui conviennent mieux à la photonique qu’à l’électronique numérique. »
Sommaire
Automates cellulaires
Pour bien comprendre le matériel conçu par le groupe de Marandi, il est important de savoir ce que sont les automates cellulaires et comment ils fonctionnent. Techniquement parlant, il s’agit de modèles informatiques, mais ce terme n’aide guère la plupart des gens à les comprendre. Il est plus utile de les considérer comme des cellules simulées qui suivent un ensemble de règles très élémentaires (chaque type d’automate a son propre ensemble de règles). De ces règles simples peuvent émerger des comportements incroyablement complexes. L’un des automates cellulaires les plus connus, appelé The Game of Life ou Conway’s Game of Life, a été développé par le mathématicien anglais John Conway en 1970. Il ne comporte que quatre règles appliquées à une grille de « cellules » qui peuvent être vivantes ou mortes. Ces règles sont les suivantes :
- Toute cellule vivante ayant moins de deux voisins vivants meurt, comme par sous-population.
- Toute cellule vivante ayant plus de trois voisins vivants meurt, comme si elle était surpeuplée.
- Toute cellule vivante ayant deux ou trois voisins vivants vit jusqu’à la génération suivante.
- Toute cellule morte ayant exactement trois voisins vivants reviendra à la vie, comme par reproduction.
Un ordinateur exécutant le jeu de la vie applique ces règles au monde dans lequel vivent les cellules à intervalles réguliers, chaque intervalle étant considéré comme une génération. En l’espace de quelques générations, ces règles simples conduisent les cellules à s’organiser en formes complexes portant des noms évocateurs tels que pain, ruche, crapaud et vaisseau spatial lourd.
Un « pain » tel qu’il apparaîtrait dans le jeu Conway’s Game of Life. Crédit : Maxgyisawesome/Wikimedia Commons
Une « ruche » telle qu’elle apparaîtrait dans le jeu de la vie de Conway. Crédit : Maxgyisawesome/Wikimedia Commons
Un « crapaud » tel qu’il apparaîtrait dans le jeu de la vie de Conway. Crédit : Maxgyisawesome/Wikimedia Commons
Un « vaisseau spatial lourd » tel qu’il apparaîtrait dans le jeu Conway’s Game of Life. Crédit : Maxgyisawesome/Wikimedia Commons
Les automates cellulaires de base, ou « élémentaires », comme le jeu de la vie intéressent les chercheurs qui travaillent sur la théorie des mathématiques et de l’informatique, mais ils peuvent aussi avoir des applications pratiques. Certains automates cellulaires élémentaires peuvent être utilisés pour la génération de nombres aléatoires, les simulations physiques et la cryptographie. D’autres sont aussi puissants que les architectures informatiques conventionnelles, du moins en principe. D’une certaine manière, ces automates cellulaires axés sur les tâches s’apparentent à une colonie de fourmis dans laquelle les actions simples des fourmis individuelles se combinent pour réaliser des actions collectives plus importantes, telles que creuser des tunnels ou collecter de la nourriture et la rapporter au nid. Des automates cellulaires plus « avancés », dont les règles sont plus complexes (bien que toujours basées sur les cellules voisines), peuvent être utilisés pour des tâches informatiques pratiques telles que l’identification d’objets dans une image.
Marandi explique : « Bien que nous soyons fascinés par le type de comportements complexes que nous pouvons simuler avec un matériel photonique relativement simple, nous sommes vraiment enthousiasmés par le potentiel des automates cellulaires photoniques plus avancés pour des applications informatiques pratiques. »
Idéal pour l’informatique photonique
Selon M. Marandi, les automates cellulaires conviennent parfaitement à l’informatique photonique pour plusieurs raisons. Comme le traitement de l’information se fait à un niveau extrêmement local (dans les automates cellulaires, les cellules n’interagissent qu’avec leurs voisins immédiats), ils éliminent le besoin d’une grande partie du matériel qui rend l’informatique photonique difficile : les différentes portes, les commutateurs et les dispositifs qui sont autrement nécessaires pour déplacer et stocker les informations basées sur la lumière. De plus, la nature à large bande passante de l’informatique photonique signifie que les automates cellulaires peuvent fonctionner incroyablement vite. Dans l’informatique traditionnelle, les automates cellulaires peuvent être conçus dans un langage informatique, qui repose sur une autre couche de langage « machine », elle-même située au-dessus des zéros et des uns binaires qui constituent l’information numérique.
En revanche, dans le dispositif informatique photonique de Marandi, les cellules de l’automate cellulaire ne sont que des impulsions lumineuses ultracourtes, qui peuvent fonctionner jusqu’à trois ordres de grandeur plus rapidement que les ordinateurs numériques les plus rapides. Comme ces impulsions lumineuses interagissent les unes avec les autres dans une grille matérielle, elles peuvent traiter des informations en cours de route sans être ralenties par toutes les couches qui sous-tendent l’informatique traditionnelle. En substance, les ordinateurs traditionnels exécutent des simulations numériques d’automates cellulaires, alors que l’appareil de Marandi exécute de véritables automates cellulaires.
« La nature ultrarapide des opérations photoniques et la possibilité de réaliser des automates cellulaires photoniques sur la puce pourraient conduire à des ordinateurs de la prochaine génération capables d’effectuer des tâches importantes de manière beaucoup plus efficace que les ordinateurs électroniques numériques », explique M. Marandi.
L’article décrivant les travaux, intitulé « Photonic Elementary Cellular Automata for Simulation of Complex Phenomena » (Automates cellulaires élémentaires photoniques pour la simulation de phénomènes complexes), est publié dans le numéro du 30 mai de la revue Light : Science & ; Applications.
Référence : « Photonic elementary cellular automata for simulation of complex phenomena » par Gordon H. Y. Li, Christian R. Leefmans, James Williams et Alireza Marandi, 30 mai 2023, Light : Science & ; Applications.
DOI: 10.1038/s41377-023-01180-9
L’auteur principal est Gordon H.Y. Li (MS ’22), étudiant diplômé en physique appliquée, avec comme co-auteurs Christian R. Leefmans, étudiant diplômé en physique appliquée, et James Williams, étudiant diplômé en ingénierie électrique.
Cette recherche a été financée par le Bureau de recherche de l’armée américaine, le Bureau de la recherche scientifique de l’armée de l’air et la National Science Foundation.