Ralentir la lumière pour produire un son

La lumière voyage vite – parfois un peu trop vite quand il s’agit de traitement de données.

Publié aujourd’hui, notre papetière décrit une nouvelle conception de puce mémoire qui nous permet de ralentir temporairement la lumière à une vitesse gérable pour un meilleur contrôle du traitement informatique.

Les paquets de lumière ont été stockés avec succès sous forme d’ondes sonores aiguës – environ 1 000 fois plus élevées que les ultrasons – dans un fil sur une micropuce. Environ 100 fois plus minces qu’un cheveu humain, ces fils minuscules ont été conçus pour guider les ondes lumineuses ainsi que les ondes sonores à haute fréquence, appelées hyper-sons.

C’est la première fois que cela se produit.

Le retard du paquet d’information transféré est causé par la grande différence de vitesse entre la lumière et le son. C’est quelque chose que nous vivons chaque fois que nous essayons de déterminer la distance qui sépare un orage de nous en comptant les secondes entre la foudre et le tonnerre.

 

Pourquoi nous utilisons la lumière dans l’informatique

Aujourd’hui, même les petits ordinateurs portables utilisent plusieurs processeurs, tels que des processeurs à deux ou quatre cœurs. C’est encore plus évident dans les machines à hautes performances, les supercalculateurs ou les grands centres de données. Diviser le calcul entre plusieurs processeurs est un moyen d’améliorer les performances, connu dans le langage informatique sous le nom de calcul parallèle.

Cette parallélisation soulève cependant de nouvelles questions : les différents cœurs doivent se parler et se produire en synchronisation, comme un grand orchestre. Ici, l’électronique commence à atteindre ses limites. Les connexions entre les processeurs subissent des pertes et produisent de la chaleur. C’est la principale raison pour laquelle votre ordinateur portable devient chaud.

À l’échelle industrielle, la chaleur devient presque ingérable. Pas plus tard que le mois dernier, il y a eu une… faire-part construire le plus grand centre de données au monde à l’intérieur du cercle polaire arctique, afin de faire face au problème de la chaleur dans ces centres.

Les liaisons optiques entre processeurs peuvent aider à résoudre ce problème : les données codées sous forme de paquets légers peuvent fournir de grandes largeurs de bande, des vitesses élevées et ne produisent pas de chaleur.

Une bénédiction et une malédiction

Bien que la vitesse de la lumière soit d’un grand avantage lors de l’envoi de données sur Internet partout dans le monde, c’est un véritable défi à maîtriser sur une petite puce.

La lumière parcourt 300 mètres en un millionième de seconde. Pour fournir une connexion entre différents processeurs, nous avons besoin d’un moyen d’arrêter ou de retarder la lumière aux moments où le processeur récepteur est encore occupé. En d’autres termes, nous avons besoin d’un tampon pour les paquets légers sur une puce.

Mais la mise en mémoire tampon des données optiques dans les conceptions de puces communes pour la mémoire électronique entraîne une perte de vitesse et de bande passante.

Notre nouvelle recherche montre que toutes les caractéristiques d’une onde lumineuse – c’est-à-dire la luminosité, la couleur et la phase – peuvent être transférées à une onde hyper-son et, ce faisant, peuvent être mises en tampon.

L’une des raisons des grands débits de données obtenus en utilisant la lumière réside dans sa capacité à transporter les données simultanément à différentes longueurs d’onde, ou couleurs. Utiliser plusieurs couleurs, c’est comme ouvrir des voies supplémentaires sur une autoroute bondée.

Ce que nous percevons comme une couleur différente dans le cas de la lumière, c’est une hauteur différente pour une onde sonore. Nous montrons que différentes couleurs peuvent être stockées sous forme d’ondes sonores de hauteurs différentes, et surtout qu’elles peuvent être identifiées sans ambiguïté par la suite.

Ondes sonores pour stocker l’information

Les principes de fonctionnement de base de notre nouvelle conception – qui se caractérise par un phénomène connu sous le nom de mémoire de ligne à retard – sont les suivants :

• un processeur encode les données fraîchement calculées sur des paquets légers et les envoie vers le processeur suivant
• si ce processeur est encore occupé, le paquet de lumière est transféré sur une onde sonore
• l’onde sonore se déplace cent mille fois plus lentement vers le processeur, ce qui lui donne le temps nécessaire pour terminer le calcul
• l’onde sonore est retransférée dans un paquet de lumière, et peut être traitée ultérieurement.

 

Ce processus ressemble au fonctionnement des premiers ordinateurs construits au début du XXe siècle. Ici, l’information était temporairement stockée dans des ondes sonores qui se propageaient dans des tubes de mercure pendant que les processeurs étaient occupés.Alors que les puces informatiques atteignent leurs limites de performance, la vieille idée d’une mémoire basée sur des lignes de retard utilisant des ondes sonores est en train de faire un retour en force. Cette fois-ci, il ne s’agit pas de tubes de mercure encombrants, mais de minuscules fils lumineux sur une micropuce qui sont capables de traiter beaucoup plus de données.