L'informatique optique se développe rapidement dans le domaine de l'IA et offre de larges perspectives d'application. Récemment, l'équipe de recherche sur les semi-conducteurs de l'Académie chinoise des sciences a mis au point un processeur de convolution optique à très haute intégration. Cela marque une avancée majeure dans le domaine de l'informatique optique en Chine.
Il y a quelques jours, l'Académie chinoise des sciences a annoncé que l'équipe du chercheur Li Ming et de l'académicien Zhu Ninghua, du groupe de recherche en optoélectronique micro-ondes du laboratoire national clé d'optoélectronique intégrée de l'Institut des semi-conducteurs de l'Académie chinoise des sciences, avait mis au point un processeur de convolution optique ultra-hautement intégré. Les résultats de cette recherche ont été publiés dans « Nature-Communications » sous le titre « Compact optical convolution processing unit based on multimode interference » (Unité de traitement de convolution optique compacte basée sur l'interférence multimode).
Introduction au processeur de convolution optique
Le réseau neuronal convolutif est un réseau neuronal artificiel inspiré du système nerveux visuel biologique. Il se compose de plusieurs couches convolutives, de pooling et entièrement connectées. En tant que composant central du réseau neuronal convolutif, la couche convolutive extrait les caractéristiques de différents niveaux et niveaux d'abstraction grâce à la perception locale et au partage des poids des données d'entrée. Dans un réseau neuronal convolutif complet, le calcul de l'opération de convolution représente généralement plus de 80 % du calcul de l'ensemble du réseau. Si les réseaux neuronaux convolutifs ont connu un grand succès dans des domaines tels que la reconnaissance d'images, ils sont également confrontés à des défis. Le réseau neuronal convolutif traditionnel repose principalement sur la mise en œuvre matérielle électrique de l'architecture von Neumann. L'unité de stockage et l'unité de traitement sont séparées, ce qui entraîne une contradiction inhérente entre la vitesse d'échange des données et la consommation d'énergie. Avec l'augmentation du volume de données et de la complexité des réseaux, il est de plus en plus difficile pour les solutions informatiques électroniques de répondre à la demande en matériel informatique à haute vitesse et à faible consommation d'énergie pour le traitement en temps réel de données massives.
Le calcul optique est une technologie qui utilise les ondes lumineuses comme support pour le traitement de l'information. Il présente les avantages d'une large bande passante, d'une faible latence et d'une faible consommation d'énergie. Le problème du transport des données dans le paradigme informatique de Neumann. Le calcul optique a suscité beaucoup d'intérêt ces dernières années, mais dans la plupart des schémas de calcul optique rapportés, le nombre d'éléments optiques augmente de manière quadratique avec la taille de la matrice de calcul, ce qui rend difficile la mise à l'échelle des puces de calcul optique.
Résultats de recherche sur le processeur de convolution optique
L'unité de traitement par convolution optique proposée par l'équipe de Ming Li-Ning-Hua Zhu construit trois noyaux de convolution corrélés à valeur réelle 2×2 à l'aide de deux coupleurs d'interférence multimodes 4×4 et de quatre déphaseurs (figure 1). L'équipe combine de manière innovante la technique de multiplexage par répartition en longueur d'onde avec l'interférence multimode de la lumière pour caractériser les éléments du noyau en termes de longueur d'onde. Le mappage entrée-sortie réalise le processus d'opération de multiplication dans la convolution, le multiplexage par répartition en longueur d'onde et la conversion photoélectrique réalisent l'opération d'addition dans la convolution, et la reconfiguration du noyau de convolution associé est réalisée en ajustant les quatre déphaseurs à réglage thermique (figure 2).
L'unité de traitement par convolution optique proposée par l'équipe vérifie expérimentalement la capacité d'extraction et de classification des caractéristiques des images numériques manuscrites. Les résultats montrent que la précision de l'extraction des caractéristiques de l'image atteint 5 bits ; la précision des chiffres manuscrits provenant de la base de données MNIST est de 92,17 % pour dix classes. Par rapport à d'autres schémas de calcul optique, ce schéma présente les avantages suivants : (1) densité arithmétique élevée : combinant la technologie de multiplexage par répartition en longueur d'onde optique avec la technologie d'interférence multimode optique, quatre unités de modulation sont utilisées pour réaliser trois opérations parallèles Kernel à valeur réelle 2×2, et la densité arithmétique atteint 12,74 T MAC/s/mm2. (2) évolutivité linéaire : le nombre d'unités de modulation augmente de manière linéaire avec la taille de la matrice, ce qui offre un fort potentiel d'intégration à grande échelle.
Avantages et applications des puces optiques
Les sociétés représentées par Lightmatter et Lightelligence ont lancé un nouveau type de puce informatique optique en silicium, dont les performances dépassent de loin celles des puces informatiques IA actuelles. Selon les données de Lightmatter, la puce Envise qu'elles ont lancée est 1,5 à 10 fois plus rapide que la puce A100 de Nvidia.
La puce laser et la puce détectrice sont collectivement appelées « puce optique ». La puce optique est le composant de base permettant la conversion des signaux photoélectriques, et ses performances déterminent l'efficacité de transmission du système de communication optique. Par rapport aux composants optiques traditionnels, les puces optiques présentent les avantages suivants : petite taille, légèreté, faible consommation d'énergie et haute intégration. Elles permettent également un traitement et une transmission des signaux optiques à grande vitesse, haute précision et haute fiabilité. Dans le contexte de la croissance massive de la construction d'infrastructures informatiques, les puces optiques vont offrir d'énormes opportunités.
À mesure que le débit de transmission augmente, la part des puces optiques dans le coût des modules optiques augmente également. Les puces optiques représentent 30 % des modules optiques inférieurs à 10 Gbs, 40 % des modules optiques de 10 Gbs à 25 Gbs et 40 % des modules optiques supérieurs à 25 Gbs. Les puces Zhongguang représentaient 60 %.
Les modules optiques sont actuellement principalement utilisés dans le domaine des communications optiques. Selon les données de LightCounting, le marché mondial des modules optiques connaîtra une croissance de 14 % en glissement annuel en 2022. On estime que le TCAC du marché mondial des modules optiques sera de 10 % entre 2022 et 2027, et dépassera les 20 milliards de dollars américains en 2027.
Analyse de la demande dans la chaîne industrielle des puces optiques
Le développement des puces optiques est indissociable des communications optiques et des modules optiques, et le secteur connaît actuellement une phase de développement accéléré. Les puces optiques sont un élément important des communications optiques et des modules optiques. Avec le développement de l'industrie des communications optiques et l'évolution des scénarios d'application, les modules optiques et les puces optiques accélèrent leur développement. L'industrie des modules optiques a connu plusieurs décennies de développement, et la formation initiale du système industriel de la technologie d'intégration photonique a stimulé le développement rapide de l'industrie des puces optiques. Les puces optiques jouent un rôle important dans la réduction des pertes de fibre et d'autres aspects, et présentent un grand potentiel de développement dans les domaines émergents.
Du point de vue de l'ensemble de la chaîne industrielle des communications optiques, les puces optiques et électriques, les composants structurels, les matériaux auxiliaires, etc. constituent l'amont de l'industrie des communications optiques, le milieu de l'industrie pour les dispositifs optiques, y compris les composants optiques et les modules optiques, l'aval de l'industrie assemblé en équipements système, et finalement utilisé sur le marché des télécommunications, comme l'accès par fibre optique, les réseaux de communication mobile 4G/5G, le cloud computing, les centres de données des fournisseurs Internet et d'autres domaines.
À mesure que la demande en communications optiques augmente, la demande en puces de communication optique connaît une croissance rapide. L'ICC estime que le marché chinois des puces optiques à haut débit devrait atteindre 3,022 milliards de dollars en 2023 et 4,34 milliards de dollars en 2025. Parallèlement, la part de la Chine sur le marché mondial des puces de communication optique devrait continuer à augmenter.
À l'heure actuelle, une nouvelle révolution technologique représentée par l'IA balaye le monde, et ChatGPT, développé par OpenAI, attire beaucoup d'attention sur l'AIGC. Dans le contexte de la commercialisation accélérée des applications AIGC, la croissance massive et la mise à niveau de l'infrastructure arithmétique deviendront une tendance inévitable. Dans le contexte de la construction de l'infrastructure arithmétique, les puces optiques devraient connaître une nouvelle vague d'opportunités de croissance.
En termes d'applications spécifiques, les exigences arithmétiques de l'AIGC entraînent une demande pour des réseaux à haut débit et à large bande passante, et l'évolution des modules optiques vers des vitesses plus élevées favorisera fortement la mise à niveau technologique et le remplacement des puces optiques. Dans le même temps, la mise à niveau de l'architecture réseau des centres de données a entraîné une augmentation des connexions optiques internes, et l'architecture traditionnelle à trois couches des centres de données est en train de passer à une architecture leaf spine, ce qui signifie que les modules optiques ont besoin de débits de transmission plus rapides et de taux de couverture plus élevés, et que les puces optiques de milieu et haut de gamme devraient connaître une expansion rapide. La mise en œuvre rapide du LIDAR et d'autres applications stimulera également fortement la demande de puces optiques.
Le paysage du développement des puces optiques en Chine
Alors que l'Europe et les États-Unis sont à la pointe de la technologie des puces optiques, les entreprises chinoises du secteur rattrapent leur retard, et le marché mondial est actuellement dominé par les États-Unis, la Chine et le Japon. Les entreprises mondiales de puces optiques ont formé une industrie en circuit fermé avec des barrières industrielles élevées, et peuvent réaliser de manière indépendante des processus clés tels que la conception de puces, l'épitaxie de plaquettes et la production en série de puces optiques avec des débits de 25G et plus. Certaines entreprises chinoises de puces optiques ont déjà atteint un niveau de pointe, et leur compétitivité sera encore renforcée grâce à l'amélioration de leurs capacités techniques et à la reconnaissance du marché.
Après des années de développement, les différents types de puces optiques chinoises connaissent un essor rapide, selon le schéma suivant :
- Puces optiques 2,5G et inférieures : principalement utilisées sur le marché de l'accès à la fibre optique, les entreprises nationales de puces optiques ont conquis la majeure partie du marché.
- Puces optiques 10G : principalement utilisées sur le marché de l'accès à la fibre optique, le marché des réseaux de communication mobile et le marché des centres de données. Les fabricants chinois de puces optiques maîtrisent désormais la technologie de base des puces optiques 10G, mais certains modèles présentent encore un seuil technique élevé et dépendent des importations.
- Puces optiques 25G et supérieures : principalement utilisées sur le marché des réseaux de communication mobile et des centres de données, elles comprennent les puces laser et détecteurs 25G, 50G et 100G.
Néanmoins, la demande chinoise en puces optiques à haut débit est élevée. Les débits de 25G et plus appartiennent à la catégorie des puces optiques à haut débit, actuellement dominée par des entreprises leaders en Europe, en Amérique et au Japon. Oclaro, Avago, NeoPhotonics, etc. ont une capacité de production de puces EML 50G, les puces laser DFB et VCSEL ont atteint le débit le plus élevé de 50G pour une utilisation commerciale à grande échelle, Finisar, AAOI, Oclaro ont une capacité de puces EML 50G, AAOI et Oclaro ont une capacité de puces DML 50G PAM4, et il existe un écart entre la Chine et le niveau de pointe des industries étrangères.
La bonne nouvelle, c'est que les principaux scénarios d'application des puces optiques comprennent l'accès par fibre optique, les réseaux de communication mobile 4G/5G, les centres de données, etc., qui se trouvent dans une période clé de mise à niveau des débits et de changement de génération. Dans un contexte de demande croissante en matière de transmission à haut débit, la proportion de puces optiques utilisées dans les futurs modules optiques à débit 25G va progressivement augmenter, et d'ici 2025, le marché global atteindra 4,340 milliards de dollars, avec un taux de croissance annuel composé de 21,40 %. Le taux de croissance atteindra 21,40 % et les fabricants chinois dans le domaine des puces optiques à haut débit devraient parvenir à l'autosuffisance grâce à leurs propres capacités techniques.
Conclusion
Le processeur à convolution optique se concentre sur le domaine de l'informatique optique, une technologie qui utilise des dispositifs optiques et des phénomènes optiques pour le traitement de l'information et le calcul. L'optique peut traiter plusieurs informations simultanément, ce qui permet un calcul parallèle efficace. Avec le développement de l'intelligence artificielle, la technologie de l'informatique optique peut appliquer l'accélération de l'apprentissage des réseaux neuronaux profonds, des réseaux neuronaux optiques, des portes logiques optiques, etc.
Avec le développement continu de la technologie de l'intelligence artificielle, les exigences en matière de vitesse et d'efficacité de calcul sont de plus en plus élevées. Les puces de calcul optique peuvent fournir une solution à haut rendement et à faible consommation d'énergie, et devraient devenir un élément important de l'industrie future de l'intelligence artificielle.
