L'intelligence artificielle à la vitesse de la lumière est désormais une possibilité.

Des chercheurs de l'université Aalto ont démontré la possibilité de réaliser un calcul tensoriel en une seule étape à la vitesse de la lumière, une avancée remarquable vers une intelligence artificielle générale de nouvelle génération alimentée par le calcul optique plutôt que par l'électronique.

Les opérations tensorielles constituent le fondement de la quasi-totalité des technologies modernes, notamment de l'intelligence artificielle, et pourtant, elles dépassent largement le cadre des mathématiques élémentaires que nous connaissons. Imaginez les calculs nécessaires pour faire pivoter, découper ou réorganiser un Rubik's Cube selon plusieurs dimensions. Alors que les humains et les ordinateurs classiques doivent effectuer ces opérations étape par étape, la lumière peut les réaliser simultanément.

Le produit tensoriel est une opération mathématique qui permet de combiner deux espaces vectoriels pour en créer un nouveau, plus complexe. Il est souvent utilisé en algèbre linéaire et en physique quantique pour enrichir l'analyse des systèmes multi-dimensionnels

Aujourd'hui, toutes les tâches en IA, de la reconnaissance d'images au traitement automatique du langage naturel, reposent sur des opérations tensorielles. Cependant, l'explosion des données a poussé les plateformes de calcul numérique classiques, telles que les GPU, à leurs limites en termes de vitesse, d'évolutivité et de consommation énergétique.

Comment la lumière permet des calculs tensoriels instantanés

Motivée par ce problème urgent, une collaboration de recherche internationale dirigée par le Dr Yufeng Zhang du groupe de photonique du département d'électronique et de nano-ingénierie de l'université Aalto a mis au point une nouvelle approche permettant d'effectuer des calculs tensoriels complexes en une seule propagation de la lumière. Il en résulte un calcul tensoriel en une seule étape, réalisé à la vitesse de la lumière.

Les résultats de cette recherche ont été publiés dans la revue Nature Photonics .

« Notre méthode effectue les mêmes types d'opérations que les GPU actuels, comme les convolutions et les couches d'attention, mais à la vitesse de la lumière », explique le Dr Zhang. « Au lieu de s'appuyer sur des circuits électroniques , nous utilisons les propriétés physiques de la lumière pour effectuer de nombreux calculs simultanément. »

Pour ce faire, les chercheurs ont encodé des données numériques dans l'amplitude et la phase des ondes lumineuses, transformant ainsi des nombres en propriétés physiques du champ optique. Lorsque ces champs lumineux interagissent et se combinent, ils effectuent naturellement des opérations mathématiques telles que les multiplications matricielles et tensorielles, qui constituent le cœur des algorithmes d'apprentissage profond.

En introduisant plusieurs longueurs d'onde lumineuses, l'équipe a étendu cette approche pour gérer des opérations tensorielles d'ordre encore plus élevé.

Impact potentiel et applications futures

« Imaginez que vous êtes un agent des douanes qui doit inspecter chaque colis à l'aide de plusieurs machines aux fonctions différentes, puis les trier dans les bacs appropriés », explique Zhang.

« Normalement, on traiterait chaque colis un par un. Notre méthode de calcul optique fusionne tous les colis et toutes les machines : nous créons de multiples « crochets optiques » qui relient chaque entrée à sa sortie correspondante. En une seule opération, un seul passage de lumière, toutes les inspections et le tri s’effectuent instantanément et en parallèle. »

Un autre avantage clé de cette méthode réside dans sa simplicité. Les opérations optiques se déroulent passivement lors de la propagation de la lumière ; aucun contrôle actif ni commutation électronique n’est donc nécessaire pendant le calcul.

« Cette approche peut être mise en œuvre sur quasiment n'importe quelle plateforme optique », explique le professeur Zhipei Sun, responsable du groupe de photonique de l'université Aalto. « À l'avenir, nous prévoyons d'intégrer ce cadre de calcul directement sur des puces photoniques, permettant ainsi aux processeurs optiques d'effectuer des tâches d'IA complexes avec une consommation d'énergie extrêmement faible. »

L’objectif final est de déployer la méthode sur le matériel ou les plateformes existantes mises en place par les grandes entreprises, explique Zhang, qui estime prudemment que l’approche sera intégrée à ces plateformes d’ici trois à cinq ans.

« Cela permettra de créer une nouvelle génération de systèmes informatiques optiques, accélérant considérablement les tâches complexes d'IA dans une multitude de domaines », conclut-il.

https://www.aalto.fi/en/news/ai-at-the-speed-of-light-just-became-a-possibility