Lumière et neurones artificiels : le futur stade d'évolution des ordinateurs?

Les chercheurs de l’Institut FEMTO-ST avancent dans la mise au point d’un calculateur ultrarapide concocté à base de réseaux de neurones artificiels et de lumière, et qui fait déjà ses preuves : un million de mots par seconde dans un test de reconnaissance vocale… qui dit mieux ?

Développés par les scientifiques dès les années 1940, les réseaux de neurones artificiels s’inspirent du fonctionnement du cerveau pour créer des calculateurs capables de traiter des informations complexes, hors de portée des ordinateurs classiques. Ils excellent dans des opérations exigeant classification ou reconnaissance des informations, comme sait le faire l’être humain.

Options mises en sommeil pendant plusieurs décennies, supplantées par le numérique, ces approches de calcul refont leur apparition dans les années 2000, nourries des énormes masses de données désormais accessibles sur le net. La notion de Deep Learning apparaît, tout comme celle de Reservoir Computing, de nouvelles briques de base de l’intelligence artificielle se construisent…

Toutes ces déclinaisons du principe des réseaux de neurones artificiels ont pour point commun une phase d’apprentissage : c’est elle qui fera ingurgiter la masse de connaissances nécessaires au calculateur pour qu’il puisse se comporter à la façon du cerveau humain. Cependant le traitement de telles masses de données se heurte aux limites de puissance de calcul des machines actuelles, et implique une consommation d’énergie colossale.

C’est pour résoudre cette double équation que des chercheurs en optique de l’Institut FEMTO-ST réfléchissent à la création de machines sur la base de nouveaux concepts. Il ne s’agit donc pas de travailler sur des logiciels à partir de l’architecture actuelle de nos ordinateurs, mais bien d’inventer des calculateurs de nouvelle génération, dont la particularité ici est de coupler réseaux de neurones artificiels et propriétés physiques de la lumière.

Des processeurs faits de lumière

Ainsi l’électronique des processeurs de nos ordinateurs laisserait la place, du moins en partie, à la photonique. Chercheur en optique à FEMTO-ST et enseignant à l’université de Franche-Comté, Maxime Jacquot explique comment les propriétés de la lumière sont ici exploitées. « Lorsqu’à très haute fréquence, les signaux émis par un oscillateur optoélectronique sont perturbés par une source externe, il se crée une dynamique complexe exploitée pour assurer une rapidité inégalée du traitement de l’information. » Cet oscillateur optoélectronique sert de support à un réseau de neurones artificiels qui va opérer le traitement de l’information proprement dit. Les chercheurs bisontins ont à ce stade aussi bouleversé les règles : au lieu de tenter de reproduire les dimensions spatiotemporelles d’un réseau artificiel, qui caractérisent les liaisons entre les neurones dans le cerveau humain, ils ont substitué des dimensions exclusivement temporelles, dites « multiéchelle », aux dimensions spatiales de ce réseau.

La capacité du démonstrateur physique mis au point à FEMTO-ST selon ces principes atteint une vitesse de traitement de l’information de près d’un million de mots par seconde, un record ! Le réseau de neurones artificiels, sous la forme d’un Reservoir Computing, est implémenté sur un dispositif photonique comprenant lasers, fibres optiques et composants optoélectroniques. Le traitement de l’information sous forme de photons permet d’espérer des économies d’énergie substantielles comparativement aux procédés exclusivement électroniques.

Cette recherche a récemment fait l’objet d’un article dans le prestigieux Physical review X et a été pointée dans le non moins prestigieux Nature comme « Research Highlight ». Outre son intérêt pour la science fondamentale, la mise au point du calculateur trouve déjà des applications dans certains domaines de l’ingénierie ; sa miniaturisation sous forme de « puce neuromorphique » est envisagée d’ici quelques années.