Une équipe de Polytechnique Montréal a identifié un nouveau matériau organique qui pourrait augmenter de manière significative la performance des puces photoniques, sans pour autant nécessiter de modifications majeures aux infrastructures déjà en place.

Cela pourrait un jour réduire la consommation d'électricité des centres de données et des systèmes d'intelligence artificielle (IA) générative ― une découverte qui prend tout son sens quelques jours après qu'une agence onusienne eut prévenu que la consommation en eau et en électricité des centres de données devrait être multipliée par deux d’ici 2030, en raison surtout de l’explosion de la demande pour l'IA.

«La problématique tourne vraiment autour des capacités de calcul actuelles, a expliqué le responsable de ces travaux, le professeur Stéphane Kéna-Cohen.

«La vitesse des puces électroniques comme on les connaît (...) est limitée. La stratégie depuis 2005 est d'ajouter de plus en plus de transistors et aussi d'agrandir les puces informatiques (mais) plus les puces deviennent grandes, plus la communication entre les différentes parties des puces est difficile.»

Et la solution à cette problématique, poursuit-il, «c'est d'utiliser la lumière pour communiquer entre les différentes puces informatiques, (...) ce qu'on appelle des puces photoniques».

Chaque seconde, les données derrière des milliards de courriels, de vidéos TikTok et de requêtes d’IA parcourent le monde sous forme d’impulsions lumineuses via les réseaux de fibre optique.

Chemin faisant, ces signaux traversent de minuscules composants qui servent de canaux à la lumière: les puces photoniques. Ces dispositifs ne se contentent toutefois pas de transporter les signaux: ils les orientent et les combinent, garantissant ainsi une circulation efficace de l’information à travers des réseaux complexes.

Mais les puces photoniques ont leurs limites puisque, par exemple, chaque question posée à un agent comme ChatGPT nécessite de multiples aller-retours entre les composants, ce qui augmente d'autant le nombre de fois que les signaux doivent être convertis et transformés.

C'est ici qu'intervient la découverte du professeur Kéna-Cohen et de ses collègues.

«On transforme un système vraiment passif pour la lumière en système actif qui permet de moduler la lumière, d'amplifier la lumière, d'ajouter les fonctions qui sont aujourd'hui absentes sur ces puces à base de silicium», a-t-il expliqué.

L'équipe a identifié un nouveau matériau qui peut être intégré directement sur le silicium, a-t-on expliqué, «ce qui lui permet d'assurer des fonctions optiques avancées». Au lieu de convertir sans cesse les signaux électriques en signaux photoniques et inversement, ce matériau permet de traiter la lumière directement.

Cette avancée repose sur une molécule organique qui permet aux faisceaux lumineux d'interagir lorsqu'ils traversent le matériau. Cela ouvre la voie à des fonctions telles que l'amplification et la modulation directement sur la puce.

Qui plus est, assure-t-on, le matériau pourrait être facilement intégré aux processus actuels de fabrication des puces.

«C'est une sorte de couche mince organique qu'on peut déposer sur les puces photoniques actuelles sans avoir à repenser l'architecture, sans avoir à changer le matériau, a dit le professeur Kéna-Cohen. C'est quelque chose qu'on peut ajouter à la fin de la fabrication pour lui donner la fonctionnalité qu'on aimerait avoir.»

En bref, a-t-il précisé, «ce qu'on peut faire avec ces couches minces, c'est d'amplifier la lumière, donc d'utiliser un signal lumineux à haute puissance pour amplifier un deuxième signal sur la puce, le deuxième signal étant celui qu'on veut transmettre sur des longues distances».

On peut donc imaginer une nouvelle génération de composants optiques utilisés pour coder des informations, amplifier des signaux et générer des formes de lumière sur mesure.

Le rapport de l’Institut pour l’eau, l’environnement et la santé de l’ONU estime que, d'ici quelques années, les centres de données pourraient consommer jusqu’à 9 milliards de mètres cubes d’eau douce par année, soit l’équivalent des besoins annuels des quelque 1,3 milliard de personnes qui vivent en Afrique subsaharienne.

Qui plus est, a-t-on indiqué par voie de communiqué, la consommation d’électricité des centres de données devrait tripler d’ici à 2030 par rapport aux niveaux de 2023, pour atteindre environ 945 térawattheures d’électricité. Cela représente près du triple de la consommation annuelle combinée d’électricité du Pakistan, du Bangladesh et du Nigéria.

«Ces puces génèrent beaucoup de chaleur, il faut un refroidissement actif pour contrôler cette chaleur qui est dissipée, a dit le professeur Kéna-Cohen. Quand on fait le traitement de l'information avec la lumière, il n'y a aucune chaleur qui est dissipée. La seule chaleur qui est dissipée, c'est pour générer les signaux lumineux au début du processus. Donc, plus on peut transposer le calcul du domaine électronique au domaine optique, plus le potentiel de réduire la consommation énergétique est élevé.»

La technologie développée à Polytechnique Montréal n'est pas encore prête pour un déploiement commercial. Le professeur Kéna-Cohen estime qu'on exploite en ce moment à peine 1 % de son potentiel, une performance qu'il espère décupler d'ici un an ou deux.

«Dans le court terme, on pense plutôt à juste communiquer entre les différentes puces qui sont plutôt conventionnelles, a-t-il conclu. Et dans le long terme, ce qu'on aimerait faire, c'est de complètement remplacer la puce elle-même, ou du moins l'opération la plus énergivore dans la puce, par une opération faite en utilisant la lumière.»

Les détails de cette découverte ont été publiés par la revue Science Advances.

Jean-Benoit Legault, La Presse Canadienne