Processeur optique

Le principe de la réflexion de la lumière était déjà compris chez les Grecs antiques^[1], et les racines historiques de la technologie du processeur photonique remontent aux travaux pionniers de scientifiques tels que Augustin Fresnel, Edmond Becquerel, James Clerk Maxwell, Albert Einstein, Max Planck et Niels Bohr, qui jettent les bases de la théorie quantique, de la nature corpusculaire de la lumière et participent à l'avancement théorique et pratique de l'expérimentation photonique.

Néanmoins, les concepts fondamentaux de la photonique moderne n'ont émergé qu'au XVII^e siècle^[1].

• En 1621, Willebrord Snell établit les lois de la réfraction. Elles seront redécouvertes seize ans plus tard par le philosophe français René Descartes et resteront connues, en Europe, sous le nom de « lois de Snell-Descartes ».

• En 1657, Pierre de Fermat redémontre les lois de la réfraction, et développe le principe selon lequel le trajet parcouru par la lumière entre deux points est toujours celui qui minimise le temps de parcours (Principe de Fermat).

• En 1665, Robert Hooke explique la diffusion ondulatoire de la lumière. Ses thèses sont reprises ensuite par Christian Huygens, puis par Thomas Young (Fentes de Young).

• En 1814, Joseph von Fraunhofer découvre et étudie les raies de Fraunhofer.

• En 1818, Augustin Fresnel théorise la diffraction, en s'inspirant de travaux de Newton.

• En 1839, le physicien français Edmond Becquerel construit la première cellule photovoltaïque^[2], démontrant l’effet photovoltaïque (génération d'un courant électrique dans certains matériaux exposés à la lumière).

• En 1865, Le scientifique écossais James Clerk Maxwell publie A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field, une description mathématique de la lumière. Cette théorie reconnaît la lumière comme une onde électromagnétique.

• En 1905 – Albert Einstein publie « Sur un point de vue heuristique concernant la production et la transformation de la lumière », une théorie développant une hypothèse selon laquelle l’énergie lumineuse est transportée dans des paquets quantifiés discrets.

• Dans les années 1960 et 1970, des chercheurs testent de premières manipulations expérimentales de signaux optiques, pour le traitement de l'information, d'abord avec des commutateurs optiques et des modulateurs électro-optiques, créés pour exploiter les propriétés de la lumière et réaliser des opérations logiques basiques. Ils jettent les bases des futurs processeurs photoniques et d'un éventuel couplage de processeurs optiques avec des puces électroniques classiques, ouvrant la voie à des échanges de données bien plus rapides et plus sobres en énergie, grâce à des liaisons optiques capables de remplacer les bus traditionnels. Cette hybridation, avec les progrès et la miniaturisation des lasers et de la fibre optique, pourrait préparer des architectures de processeurs entièrement nouvelles, où les traitements internes seraient massivement parallèles et les communications externes assurées par des liens optiques adaptés aux futures évolutions de la photonique intégrée^[3].

• En 1986, Yunlong Sheng, propose un processeur optique utilise la lumière et des masques photographiques pour extraire très rapidement des informations globales d’une image, sans passer par des calculs numériques classiques. Ces données sont ensuite envoyées à un ordinateur qui peut reconnaître en quasi-temps réel des formes (comme des pages manuscrites filmées par une caméra), sans avoir besoin d’en analyser chaque pixel individuellement^[4].

• En 2003, la société israélienne Lenslet crée le premier DSP optique (ODSP) : Enlight64, capable de calculer 240 GMAC/s. Son successeur Enlight256, doté d'une puissance de calcul de 8000 GMAC/s, est présenté au salon militaire MILCOM (Military Communications Conference) à Boston, aux États-Unis, en octobre 2003. Ces processeurs utilisent des diodes laser VCSEL, une matrice optique SLM de 256x256, et des photodiodes. Leur fréquence de travail est de 125 MHz.

• À fin des années 2010, la société américaine Lightmatter^[5] présente sa plateforme de calcul photonique basée sur l'IA et le réseau neuronal.

• En 2021, une équipe de l'université d'Oxford créé un processeur photonique utilisant la polarisation de la lumière^[6].

Un transistor optique agit de la même manière qu'un transistor électronique, mais beaucoup plus vite. Des mémoires peuvent se faire, non pas avec des condensateurs, mais avec des bascules.

L'utilisation de photons, non chargés électriquement, rend possible un échange beaucoup plus rapide des données et surtout un minimum d'échauffement dans le processus de traitement des données par l'ordinateur^[7].

En informatique, le calcul est un processus non linéaire dans lequel de multiples signaux doivent interagir, ce qui constitue un défi important pour l'informatique optique. La lumière, qui est une onde électromagnétique, ne peut interagir avec une autre onde électromagnétique qu'en présence d'électrons dans un matériau^[8], et la force de cette interaction est beaucoup plus faible pour les ondes électromagnétiques, telles que la lumière, que pour les signaux électroniques dans un ordinateur conventionnel. Les éléments de traitement d'un ordinateur optique peuvent donc nécessiter plus d'énergie et être plus volumineux que ceux d'un ordinateur à transistors conventionnels.

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• 
  Plaques de semi-conducteurs montrant des circuits intégrés conçus par IPtronics pour les interconnexions optiques parallèles utilisant un processus de fabrication de STMicroelectronics.
• 
  Un chercheur du FMN Laboratory^[11] (Russie) en train d'assembler un processeur neuromorphique basé sur un circuit intégré photonique qui permet des calculs à la vitesse de la lumière.

Les études divergent sur les capacités futures des ordinateurs optiques ; la question de savoir s'ils peuvent ou non concurrencer les ordinateurs électroniques à semi-conducteurs en termes de vitesse, de consommation d'énergie, de coût et de taille reste ouverte.

Les détracteurs des calculateurs optiques notent que les systèmes logiques nécessitent «une restauration au niveau logique, une mise en cascade, une sortie en éventail et une isolation entrée-sortie»^[12], autant d'éléments déjà fournis par des transistors électroniques à faible coût, à faible consommation et à grande vitesse. Pour que la logique optique soit compétitive au-delà de quelques applications de niche, il faudrait des percées majeures dans cette technologie spécifique aux dispositifs optiques non linéaires, voire un changement dans la nature même de l'informatique^{[réf. souhaitée]}.

Une piste importante, explorée, est la capacité à «retarder» la lumière (ou tout autre signal) pour effectuer des calculs utiles, mais un des défis est de résoudre les problèmes NP-complet, particulièrement difficiles pour les ordinateurs conventionnels.

Pour cela, deux propriétés fondamentales de la lumière sont utilisées :

• elle peut être retardée en la faisant passer par un médium (fibre optique) d'une certaine longueur ;
• elle peut être divisée en plusieurs (sous-)rayons, ce qui permet de traiter plusieurs problèmes en même temps.

Lors de la « résolution d'un problème avec délais », les étapes suivantes doivent être suivies :

• création d'une structure graphique, composée de câbles optiques et de séparateurs. Chaque graphe comporte un nœud de départ et un nœud de destination ;
• la lumière entre par le nœud de départ et traverse le graphe jusqu'à ce qu'elle atteigne la destination. Elle est retardée lorsqu'elle passe par des arcs et divisée à l'intérieur des nœuds.
• la lumière est marquée quand elle passe par un arc ou un nœud (pour facilement identifier ce fait au nœud de destination) ;
• au nœud de destination, un signal (fluctuation de l'intensité du signal) est attendu à un moment donné. S'il n'arrive à ce moment-là, cela signifie qu'il n'y a pas de solution au problème traité. Dans le cas contraire, le problème a une solution. Les fluctuations peuvent être lues à l'aide d'un photodétecteur et d'un oscilloscope.

Le premier problème ainsi abordé a été le problème du chemin hamiltonien^[13].

Le plus simple est le problème de la somme de sous-ensembles^[14]. Un dispositif optique résolvant une instance avec quatre nombres {a1, a2, a3, a4} est représenté schématiquement ci-après :

La lumière entre dans le nœud «Start». Elle se divise en deux (sous-)rayons de plus faible intensité. Ces deux rayons arrivent au deuxième nœud aux instants a1 et 0. Chacun d'eux sera divisé en deux sous-rayons qui arriveront au troisième nœud aux instants 0, a1, a2 et a1 + a2. Ceux-ci représentent tous les sous-ensembles de l'ensemble {a1, a2}. Nous nous attendons à des fluctuations de l'intensité du signal à quatre moments différents au maximum. Dans le nœud de destination, nous nous attendons à des fluctuations à 16 moments différents maximum (qui sont tous les sous-ensembles de l'ensemble donné).

Si nous avons une fluctuation au moment B, cela signifie que nous avons une solution au problème, sinon il n'y a pas de sous-ensemble dont la somme des éléments est égale à B. Pour la mise en œuvre pratique, il n'existe pas de câble de longueur nulle, donc tous les câbles sont augmentés d'une faible valeur (fixe pour tous les câbles) k'. Dans ce cas, la résolution est attendue à B+n×k.

Machine d'Ising

Les ordinateurs physiques dont la conception a été inspirée par le modèle théorique d'Ising sont appelés machines d'Ising^[15].

Le laboratoire de Yoshihisa Yamamoto à Stanford a été le premier à construire des machines d'Ising utilisant des photons. Au départ, Yamamoto et ses collègues construisirent une machine d'Ising en utilisant des lasers, des miroirs et d'autres composants optiques que l'on trouve couramment sur une table optique^[16]. Plus tard, une équipe des laboratoires Hewlett-Packard-Bell développe des outils de conception de puces photoniques et les utilise pour construire une machine d'Ising sur une seule puce, intégrant 1 052 composants optiques sur cette seule puce.

Au milieu des années 2020, développer un processeur optique ou même simplement combiner de manière optimale le calcul électronique et la communication optique exige encore des travaux de recherche fondamentale et appliquée, d’abord pour pouvoir modéliser précisément le fonctionnement d'un tel processeur (par exemple en VHDL qui est un langage de description matériel utilisé pour modéliser, simuler et définir précisément le fonctionnement interne de circuits électroniques et de processeurs avant leur fabrication, pour vérifier que toutes ses parties du processeur coopèrent correctement). Il faut ensuite concevoir et tester les « interfaces optiques », les convertisseurs parallèle‑série, et les intégrer au mieux dans un système sur puce, alors que ces éléments sont nouveaux et devront fonctionner à très haute vitesse et sans erreurs (éventuellement dans des systèmes portables et mobiles soumis à des chocs et à des vibrations)^[3]. Selon Sudip Shekhar et al. (2024) la photonique sur silicium est en 2024 surtout utilisée pour les communications optiques dans les datacenters, mais pourrait devenir mature pour d'autres usages (calcul photonique, communications avancées, traitement du signal, capteurs...), ce qui impliquerait de passer d’une production de millions à des milliards de dispositifs (modulateurs, détecteurs, guides d’onde...), avec alors un besoin d'avancées majeures en intégration, en performance et industrialisation avec design CMOS (technologie de fabrication de puces et transistors, visant notamment à le rendre moins énergivores permettant de construire des circuits plus denses, rapides et efficaces)^[17].

Cette architecture devra aussi être adaptée aux logiciels et aux usages réels, ce qui implique par exemple une compatibilité avec RISC‑V (architecture de processeur ouverte et modulaire, qui définit un ensemble d’instructions simple et librement utilisable pour concevoir des puces), l'intégration dans les centres de données, de nouveaux algorithmes pour l’IA, et éventuellement l'ajout d’un « typage TLV » (Type–Length–Value, qui est une manière d’encapsuler des données en indiquant leur nature, leur taille et leur contenu pour faciliter et accélérer leur traitement dans le système. Le fonctionnement des processeurs nécessite un cache (une petite mémoire rapide qui stocke temporairement les données les plus utilisées pour éviter d’aller les chercher en mémoire principale) ; dans un système optronique, la connexion au cache se fera par un lien optique ; ce dernier doit permettre des échanges rapides et restant cohérents, efficaces et sans perte de performance^[3].

Le processeur doit en outre être simple à programmer, fiable à grande échelle, et capable de bien tirer parti de la vitesse et de la faible consommation des communications optiques, ce qui demande de repenser le processeur, mais aussi le matériel connexe et la manière dont les données circulent, sont stockées et sont traitées dans le système^[3].