Faire la lumière sur les automates cellulaires

La loi de Moore, du nom du cofondateur d’Intel, Gordon Moore, est l’observation que le nombre de transistors sur une micropuce double environ tous les deux ans, conduisant à une augmentation significative de la puissance de calcul au fil du temps. Ce principe a été la force motrice derrière l’avancement rapide de la technologie pendant plusieurs décennies. Cependant, la poursuite de la loi de Moore est de plus en plus remise en question par des contraintes physiques à mesure que les composants se rétrécissent à des tailles de plus en plus petites.

Pour prévenir les ralentissements dans l’avancement des puces informatiques causés par la fin de la loi de Moore, les chercheurs explorent des technologies alternatives, telles que l’informatique photonique. L’informatique photonique exploite la lumière, ou les photons, au lieu des électrons, pour transmettre et traiter les données. La lumière a déjà été utilisée avec succès dans le domaine des communications, permettant une transmission de données plus rapide sur de longues distances par rapport aux connexions filaires traditionnelles. Alors que la lumière peut transmettre des informations rapidement, il est difficile de manipuler et de contrôler la lumière pour des calculs complexes. En tant que tel, il n’est toujours pas clair comment cette technologie pourrait remplacer les architectures informatiques traditionnelles.

Ce n’est peut-être pas un ordinateur à usage général, mais une équipe d’ingénieurs du California Institute of Technology estime que leur architecture informatique photonique est un pas vers cet objectif. Leur solution est basée sur le concept d’automates cellulaires, ou cellules simulées, qui suivent un ensemble prédéfini de règles. L’exemple le plus reconnaissable d’automates cellulaires est le jeu de la vie de Conway, dans lequel les règles qui simulent des choses comme la surpopulation et la reproduction provoquent la mort ou l’épanouissement des cellules. Ces systèmes fonctionnent généralement dans des logiciels sur du matériel informatique traditionnel, mais dans ce travail, un système d’automates cellulaires basé sur le matériel a été développé qui exploite la photonique pour le calcul.

L’un des facteurs qui rend l’informatique basée sur la lumière si difficile est que de nombreux portails, commutateurs et autres composants sont nécessaires pour transférer et stocker des informations basées sur la lumière autour de l’ordinateur - et de tels composants avec des performances suffisantes n’existent pas aujourd’hui. Cette limitation fait des automates cellulaires une architecture souhaitable. Étant donné que cette technique ne nécessite qu’une cellule interagisse avec ses voisines immédiates, le matériel de contrôle de la lumière peut être grandement simplifié. De plus, la bande passante élevée de ces connexions photoniques rend le traitement incroyablement rapide.

Le matériel représente des automates cellulaires élémentaires de manière multiplexée dans le temps via les impulsions d’un laser à mode verrouillé avec un taux de répétition fixe. La présence d’impulsions représente l’état d’une cellule vivante, tandis que l’absence d’impulsions représente une cellule morte. Les états des cellules sont codés à l’aide d’un modulateur électro-optique, qui divise le signal entre trois lignes de retard optiques. Ces retards permettent au signal d’interférer avec les signaux de ses plus proches voisins, et ainsi de changer l’état de la cellule qui vient avant ou après dans le réseau unidimensionnel. Ensuite, le seuillage optoélectronique détermine le nouvel état de chaque cellule, et les résultats sont stockés sur un réseau de portes programmable sur le terrain, qui sert à piloter l’itération suivante, ou cycle, de l’ordinateur.

Les chercheurs croient que les opérations ultrarapides rendues possibles par leur système pourraient finalement conduire au développement d’une architecture informatique de nouvelle génération qui effectue des tâches plus efficacement que les ordinateurs numériques actuels. Cependant, ces ordinateurs basés sur des automates cellulaires sont limités dans les types d’opérations qu’ils peuvent effectuer, de sorte que vous n’aurez probablement pas d’ordinateur photonique sur votre bureau de sitôt. Mais même encore, l’équipe a pu démontrer certains phénomènes complexes, y compris les fractales, le chaos et les solitons avec leur appareil. Ces types de tâches sont généralement associés à du matériel beaucoup plus complexe, donc peut-être qu’avec un peu de travail supplémentaire, les systèmes basés sur des automates cellulaires deviendront capables d’effectuer un plus large éventail de tâches utiles.