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Jun 06, 2023

La photonique peut-elle offrir la prochaine percée dans l'informatique de recherche ?

Partagez ceci sur les réseaux sociaux : Crédit : archy13/Shutterstock Informatique photonique

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Crédit : archy13/Shutterstock

Les technologies informatiques photoniques connaissent une croissance rapide des résultats de la recherche et du développement technologique, et les produits arrivent maintenant sur le marché. Quel sera l'impact de cette nouvelle révolution informatique sur les capacités de recherche des scientifiques et des ingénieurs ?

La technologie photonique offre d'énormes avantages potentiels en termes de vitesse de traitement des données pour les infrastructures informatiques à grande échelle, tout en promettant de réduire la consommation d'énergie des réseaux et des communications. Cette technologie a d'énormes ramifications pour les infrastructures informatiques avancées telles que les superordinateurs (HPC et IA), le cloud computing, la mise en réseau des centres de données et même l'informatique quantique.

Les goulots d'étranglement des performances et l'efficacité énergétique sont une préoccupation croissante pour les scientifiques et les chercheurs utilisant des systèmes HPC et d'IA, car ils peuvent potentiellement limiter les performances des applications ou rendre l'informatique à grande échelle non durable.

En mars 2023, Lumai, une entreprise dérivée de l'Université d'Oxford, a reçu une subvention intelligente Innovate UK de 1,1 million de livres sterling pour pouvoir commercialiser son travail dans la formation sur les réseaux entièrement optiques et l'optique profonde pour un calcul plus rapide et plus efficace.

Issue de l'Université d'Oxford en janvier 2022, Lumai développe des réseaux de neurones tout optique pour l'IA de nouvelle génération. Avec 1,1 million de livres sterling de financement Smart, la société crée des processeurs informatiques optiques avancés où le flux d'informations et les calculs ne dépendent pas du traitement électronique. La subvention a été accordée en collaboration avec l'Université d'Oxford et fait suite à son financement précédent d'IP Group et de Runa Capital.

L'électronique numérique à base de transistors existante a du mal à prendre en charge le potentiel offert par l'IA, en particulier avec l'augmentation explosive de la demande de calcul pour prendre en charge des modèles d'IA révolutionnaires tels que ChatGPT. Pour lutter contre cela, la plate-forme informatique de Lumai est capable d'un traitement parallèle économe en énergie et ultra-rapide. Les réseaux de neurones optiques de Lumai peuvent être 1000 fois plus rapides - et beaucoup plus durables - que l'électronique numérique à base de transistors existante.

Le financement aidera Lumai à construire et à lancer des réseaux de neurones optiques pour le calcul haute performance et la vision artificielle, tout en dirigeant simultanément les développements dans les technologies optiques avancées.

Tim Weil, PDG de Lumai, a déclaré : « La victoire d'Innovate UK Smart Grant témoigne de la vision et de la passion de l'équipe pour créer des ordinateurs optiques qui sont beaucoup plus rapides et consomment moins d'énergie que l'électronique traditionnelle. Après avoir quitté l'Université d'Oxford, il est normal que nous travaillions ensemble sur le projet Innovate UK pour améliorer encore les capacités de ces systèmes optiques avancés.

La mise à l'échelle continue des systèmes HPC et AI repose sur des augmentations significatives de l'efficacité énergétique. Les plus grands supercalculateurs d'aujourd'hui peuvent consommer jusqu'à 20 mégawatts et avec la demande continue d'IA, la demande d'énergie pourrait augmenter.

La réduction de l'efficacité énergétique n'est pas un nouveau concept pour les fournisseurs de systèmes HPC ou ceux qui gèrent ou provisionnent des clusters HPC. Pendant de nombreuses années, une enveloppe de puissance de 20 MW a été discutée pour le calcul exascale. Frontier a peut-être raté l'objectif de 20 mégawatts par une petite marge, mais le système montre à quel point l'industrie HPC a progressé dans le développement de systèmes HPC efficaces. Par exemple, le supercalculateur Sunway TaihuLight était le système le plus puissant au monde lors de son lancement en 2016. Dans l'édition de novembre 2022 du Top500, ce système est maintenant à la 7e place, offrant une performance maximale de 93 PFlop/s (pétaflops par seconde) avec une consommation électrique de 15 371 kW (15,3 MW). En comparaison, le système LUMI, lancé en 2022, offre près de trois fois les performances de Sunway TaihuLight à 309 PFlop/s mais ne consomme qu'une fraction de la puissance à 6 016 kW (6,0 MW).

Cependant, à mesure que le cloud HPC et l'informatique IA continuent de croître, de plus en plus de scientifiques et de chercheurs ont accès à une infrastructure informatique avancée. Il y a toujours une croissance importante sur les marchés du cloud et de l'IA. Alors que la demande de supercalculateurs IA augmente, des mesures doivent être prises pour rendre la technologie plus durable.

Plusieurs marchés verticaux clés des sciences de la vie, tels que la biotechnologie et les produits pharmaceutiques, se tournent vers l'utilisation de l'IA pour la classification des images médicales et pour faciliter la recherche de nouveaux médicaments et traitements. En ingénierie, il y a eu une transition des tests et de la validation traditionnels vers des jumeaux numériques complexes et avec une vérification et des tests numériques complets en simulation. Le marché automobile connaît également une demande pour la formation de modèles à grande échelle pour la conduite autonome et l'utilisation de l'IA dans d'autres applications telles que l'optimisation de la topologie. Cet effet est aggravé dans le domaine des sciences et de l'ingénierie par la croissance des charges de travail intensives en données.

L'intégration des technologies photoniques dans les déplacements classiques pourrait aider à réduire considérablement les budgets de puissance des données en mouvement entre les systèmes. Bien que cela puisse sembler insignifiant, la formation des modèles d'IA nécessite de grandes quantités de données

L'informatique photonique promet d'ouvrir de nouvelles possibilités de transfert de données et de communications entre les éléments informatiques, ce qui pourrait augmenter considérablement les performances du HPC. Plusieurs premiers acteurs ont fusionné sur ce marché avec des technologies qui pourraient trouver leur place dans les futurs supercalculateurs.

Lightelligence est une entreprise dérivée du MIT qui utilise la photonique pour réinventer l'informatique pour l'intelligence artificielle. La société a lancé sa première plate-forme de calcul optique entièrement intégrée PACE (Photonic Arithmetic Computing Engine) en 2021. PACE exploite les propriétés inhérentes de la lumière pour générer des solutions optimales aux problèmes d'Ising, Max-Cut et Min-Cut plus de 800 fois plus rapides que les GPU haut de gamme actuels tout en maintenant un débit élevé, une faible latence et une efficacité énergétique.

Dans une interview de 2021 avec MIT News, le PDG de LightIntelligence, le Dr Yichen Shen, a commenté : « Nous changeons fondamentalement la façon dont l'informatique est effectuée, et je pense que nous le faisons au bon moment de l'histoire. Nous pensons que l'optique sera la prochaine plate-forme informatique, du moins pour les opérations linéaires comme l'IA.

La plate-forme PACE a également le potentiel d'être utilisée dans les systèmes de conduite autonome et s'est avérée plus puissante que les GPU haut de gamme dans certaines applications. "Notre puce effectue ces tâches de prise de décision en une fraction du temps des puces ordinaires, ce qui permettrait au système d'IA de la voiture de prendre des décisions beaucoup plus rapides et plus précises, permettant une conduite plus sûre", explique Shen.

La technologie de base qui sous-tend PACE est un multiplicateur de matrice optique 64x64 dans une puce photonique en silicium intégrée et une puce microélectronique CMOS, flipchip emballées ensemble. En plus de son conditionnement 3D avancé, la puce photonique de PACE contient plus de 12 000 dispositifs photoniques discrets et possède une horloge système de 1 GHz.

En 2022, Hewlett Packard Enterprise et la startup d'informatique photonique Ayar Labs ont récemment signé une collaboration stratégique pluriannuelle pour accélérer les performances de mise en réseau des systèmes informatiques et des centres de données en développant des solutions photoniques sur silicium basées sur la technologie d'E/S optiques. Cela a été bientôt suivi par la nouvelle qu'Ayar Labs avait obtenu un financement supplémentaire de 130 millions de dollars de Boardman Bay Capital Management, Hewlett Packard Enterprise (HPE) et Nvidia, ainsi que de plusieurs investisseurs financiers nouveaux et existants, dont GlobalFoundries et Intel Capital.

La photonique sur silicium améliorera les capacités de mise en réseau et répondra aux exigences futures des architectures de calcul haute performance (HPC), d'intelligence artificielle (IA) et de cloud computing. La technologie a également le potentiel de réduire la quantité d'énergie utilisée dans les centres de données et les grands systèmes informatiques.

Hugo Saleh, vice-président directeur des opérations commerciales d'Ayar Labs, a déclaré : « Que vous parliez de HPC ou d'informatique désagrégée, il existe un véritable limiteur d'E/S. a déclaré Saleh. "Dans le HPC, on parle généralement de goulot d'étranglement de la mémoire. Ce n'est pas un problème de capacité mémoire. C'est la capacité de déplacer les données des mémoires DIMM vers le CPU et inversement. L'autre goulot d'étranglement qui a été vu et dont on a beaucoup parlé est le goulot d'étranglement sur le GPU. Entre le CPU et le GPU transférant les données, puis entre le GPU lui-même et la mémoire."

« Ce que nous faisons chez Ayar Labs est une tentative de changer le domaine physique dans lequel les données sont transmises », a noté Saleh. « Nous passons de l'électricité, des tensions et des courants aux photons. Ensuite, nous transmettons des photons et de la lumière à l'extérieur du boîtier pour vos E/S à haute vitesse et à faible consommation."

Ayar Labs a présenté cette technologie pour la première fois à Supercomputing 2019, la conférence et exposition américaine qui se tient chaque année aux États-Unis. "Nous avons un banc d'essai complet. Nous avons d'abord démontré notre technologie à la communauté HPC lors du Supercomputing 2019 à Denver. Depuis lors, nous avons fait deux annonces publiques sur les projets que nous menons avec Intel. Intel a donc lui-même fait la démonstration d'un FPGA avec notre photonique à l'intérieur, transmettant d'énormes quantités de données à une puissance beaucoup plus faible", a déclaré Saleh.

Cette technologie pourrait augmenter massivement la bande passante mémoire des futurs systèmes HPC et IA. Chaque chiplet fournit l'équivalent de 64 voies PCIe Gen 5, ce qui fournit jusqu'à deux térabits par seconde de performances d'E/S. Le système utilise des techniques de fabrication de silicium standard et des lasers à plusieurs longueurs d'onde désagrégés pour obtenir une communication puce à puce à haute vitesse et haute densité avec une consommation d'énergie de l'ordre du picojoule. Ayar Labs a développé sa technologie aux côtés de GlobalFoundries dans le cadre de sa plateforme photonique monolithique sur silicium.

"Nous avons travaillé avec GlobalFoundries pour développer un processus monolithique, qui vous permet de mettre l'électronique et l'optique sur la même puce", a déclaré Saleh. "Beaucoup d'optiques traditionnelles sont séparées ; nous les avons toutes combinées en une seule, et cela simplifie la vie de nos clients lorsqu'ils emballent tous ces composants - cela réduit la puissance, les coûts et la latence."

GF Fotonix est la plate-forme monolithique de nouvelle génération de Global Foundries, qui est la première du secteur à combiner ses fonctionnalités photoniques 300 mm et RF-CMOS de classe 300 GHz sur une plaquette de silicium. Le processus a été conçu pour fournir des performances à grande échelle et sera utilisé pour développer des applications de calcul et de détection photoniques. Ayar Labs a également aidé GF à développer un PDK électro-optique avancé qui sera publié au deuxième trimestre 2022 et sera intégré aux outils de conception des fournisseurs d'automatisation de la conception électronique (EDA).

En avril, une startup israélienne d'informatique quantique photonique a annoncé qu'elle avait étendu son financement de démarrage à 27 millions de dollars - grâce à une injection de liquidités de Dell Technologies Capital (DTC). Quantum Source, qui vise à développer des ordinateurs quantiques photoniques commercialement viables, utilisera le supplément de 12 millions de dollars pour élargir son équipe de recherche et développement à mesure qu'elle évolue pour atteindre des jalons techniques et de performance importants.

Dans ce contexte, l'informatique quantique photonique utilise les photons comme représentation des qubits. Quantum Source utilise une approche unique pour générer des photons et des portes quantiques jusqu'à cinq ordres de grandeur plus efficacement qu'une implémentation de pointe.

Oded Melamed, co-fondateur et PDG de Quantum Source, commente : « Nous avons fondé Quantum Source avec la conviction que les technologies quantiques photoniques sont le meilleur moyen de réaliser des ordinateurs quantiques à grande échelle et tolérants aux pannes. Notre approche unique améliorera considérablement l'évolutivité de ces machines et sera la clé du succès commercial des ordinateurs quantiques. Le fait que des investisseurs tels que Dell Technologies Capital croient en nous nous permettra d'accélérer notre travail et, par extension, des industries entières.

Fondée en 2021 par une équipe de vétérans de l'industrie des semi-conducteurs et de physiciens accomplis, Quantum Source développe une technologie pour mettre en œuvre efficacement des ordinateurs quantiques photoniques à grande échelle et tolérants aux pannes. À ce jour, les entreprises ont construit de petits ordinateurs quantiques avec seulement des dizaines ou des centaines de qubits. Bien que ces ordinateurs quantiques rudimentaires soient une technologie véritablement révolutionnaire, les systèmes ne sont pas encore commercialement viables.

Omri Green, partenaire chez Dell Technologies Capital, commente : « DTC investit dans des technologies qui peuvent faire avancer les industries. Nous pensons que l'informatique quantique a ce potentiel et, en tant que premier investissement dans ce domaine, Quantum Source peut être l'équipe qui nous permettra d'y parvenir. Oded et cette équipe exceptionnelle de scientifiques et d'entrepreneurs confirmés s'attaquent aux obstacles cruciaux de la photonique quantique : l'évolutivité et la tolérance aux pannes. Une fois ces défis résolus, l'innovation sera sans limite.

ORCA Computing, basée au Royaume-Uni, qui développe des systèmes quantiques photoniques pour l'apprentissage automatique. ORCA a levé 15 millions de dollars l'an dernier et dirige un projet de recherche pour développer un "centre de données quantiques". Parmi les autres entreprises travaillant sur l'informatique quantique photonique, citons la start-up canadienne bien soutenue Xanadu, PsiQuantum, une entreprise qui a reçu 9 millions de livres sterling pour ouvrir une installation de recherche basée au Royaume-Uni afin de développer des systèmes cryogéniques à haute puissance pour l'informatique quantique à grande échelle.

"La lumière a un rôle énorme à jouer dans l'avenir de l'informatique quantique en tant que ressource efficace et évolutive", a déclaré le Dr Richard Murray, co-fondateur et directeur général d'ORCA Computing dans une interview avec l'Imperial College de Londres. "Notre mission est de mettre les systèmes photoniques entre les mains des utilisateurs aujourd'hui afin que nous apportions de la valeur à court et à long terme."

La dernière ronde de financement en capital-risque apporte à ORCA 15 millions de dollars (environ 12 millions de livres sterling) pour développer davantage ses systèmes informatiques quantiques photoniques, ainsi que les logiciels nécessaires aux applications futures. Le financement a été dirigé par Octopus Ventures et comprenait Oxford Science Enterprises, Quantonation et Verve Ventures.

"Nous sommes incroyablement heureux d'être rejoints dans notre voyage par certains des investisseurs les plus compétents d'Europe dans les technologies quantiques et profondes", a déclaré le Dr Murray. "Leur soutien nous permettra d'accélérer le développement des systèmes quantiques à court et à long terme d'ORCA."