Une limite longtemps insurmontable vient d'être franchie
Les puces photoniques souffraient jusqu'ici d'une contrainte tenace. Pour les opérations les plus complexes, elles devaient s'appuyer sur l'électronique traditionnelle — et perdaient du même coup leur principal atout : la vitesse. Cet obstacle vient d'être levé.
Notre cerveau fonctionne grâce à de brèves impulsions électriques qui circulent entre les neurones. Les scientifiques cherchent depuis un moment à reproduire ce mécanisme dans des puces informatiques, mais en utilisant des impulsions lumineuses à la place. En théorie, c'est bien plus rapide et bien moins énergivore. Le problème, jusqu'à présent, était que ces puces ne pouvaient effectuer que des calculs simples avec la lumière. Dès que les opérations se compliquaient — notamment celles nécessaires à l'apprentissage et à la prise de décision — le signal lumineux devait être converti en signal électronique. L'avantage en termes de vitesse disparaissait alors presque entièrement.
Deux puces qui coopèrent entièrement dans le domaine optique
Des chercheurs de l'Université Xidian, en Chine, ont mis au point une solution convaincante. Leur système repose sur deux puces qui collaborent pour exécuter à la fois les opérations simples et les plus complexes, uniquement avec de la lumière. La première puce dispose de plus de 270 connexions ajustables — un peu comme les synapses du cerveau humain, qui se renforcent ou s'affaiblissent au fil de l'apprentissage.
La seconde puce se charge du traitement non linéaire, c'est-à-dire le type de calculs qui permet à un système de réagir à des situations imprévues. « Quand nous disons qu'une puce peut "apprendre", nous voulons dire qu'elle est capable d'interagir avec son environnement et d'adapter ses actions en fonction de l'état perçu. Elle "apprend" de l'expérience, comme le font les humains, plutôt que de simplement exécuter une série fixe de commandes », explique Shuiying Xiang, l'un des chercheurs impliqués dans le projet.
Équilibrer une perche comme test d'apprentissage
Pour valider les capacités de leur système, les chercheurs lui ont fait passer deux épreuves classiques utilisées en robotique comme références pour évaluer le potentiel d'apprentissage. La première consiste à maintenir une perche en équilibre sur un chariot en mouvement. La seconde demande de faire basculer un pendule depuis sa position basse jusqu'à la verticale, puis de le maintenir droit. Ces tâches sont particulièrement exigeantes, précise Xiang, car le système doit en permanence mesurer l'état de la perche ou du pendule et ajuster sa réponse en temps réel.
Le système photonique a réussi les deux tests avec d'excellents résultats. Ce qui impressionne particulièrement : la puce n'a eu besoin que de 320 picosecondes pour effectuer chaque calcul — soit 320 millièmes de milliardièmes de seconde. En ce laps de temps infinitésimal, la lumière, qui se déplace à 300 000 kilomètres par seconde, parcourt à peine moins de dix centimètres.
Une efficacité énergétique à la hauteur des attentes
Au-delà de la vitesse, ce système se distingue aussi par sa consommation énergétique réduite. Les chercheurs rapportent des performances du même ordre de grandeur que les processeurs graphiques conventionnels, avec l'avantage supplémentaire que l'ensemble du traitement s'effectue de manière optique.
Cette rapidité rend la technologie particulièrement précieuse pour les applications où chaque milliseconde compte. Les chercheurs citent notamment les véhicules autonomes et les robots évoluant dans le monde réel, qui doivent apprendre à la volée comment fonctionne leur environnement. « Tout comme notre puce réagit rapidement aux petites variations de l'angle de la perche pour la maintenir en équilibre, une voiture autonome doit répondre instantanément aux changements soudains », illustre Xiang.
La lumière présente en outre un avantage physique de taille : elle perd très peu d'énergie en transit. À l'inverse, l'électronique classique utilise des conducteurs métalliques dans lesquels une partie de l'énergie se dissipe inévitablement sous forme de chaleur.
Une commercialisation encore lointaine, mais une base solide
Avant de retrouver cette technologie dans des appareils du quotidien, il reste encore du chemin à parcourir. La prochaine étape consiste à concevoir une puce dotée de davantage de canaux, capable de gérer des tâches bien plus complexes. Xiang se montre néanmoins optimiste quant au rythme de progression. « Nous parlons d'environ cinq à dix ans. Les principaux défis sont la miniaturisation accrue, la réduction des coûts de fabrication et l'optimisation de la compatibilité avec les systèmes électroniques existants. » Les fondations, elles, sont désormais bien posées.
