Serge Massar & Marc Haelterman
L’ordinateur du futur sera photonique et analogique

EXPLOITER LES SYSTEMES OPTIQUES ULTRA-RAPIDES POUR TRAITER L’INFORMATION DE FAÇON ANALOGIQUE À L’IMAGE DU CERVEAU

News:

Serge Massar et Marc Haelterman ont fait la démonstration d’un calculateur photonique basé sur une cavité optique cohérente et passive. Ce travail est une étape importante vers la réalisation de processeurs optiques ultra-rapides (Optica, May 20, 2015). Pour lire l’article

Biographies

downloadSerge Massar

Faculté des Sciences,  ULB.

Né en 1970. Docteur en Sciences (Physique) et Agrégé de l’enseignement supérieur de l’ULB. Post-doctorat à l’Université de Tel-Aviv et à l’Université d’Utrecht. Directeur de Recherche honoraire du FNRS, Professeur et Directeur du Laboratoire d’information quantique du Département de Physique de l’ULB. Ses recherches sur l’information quantique tant expérimentales que théoriques ont  été récompensées par le Prix La Recherche (2010) et le Prix Alcatel-Bell (2003).

download2Marc Haelterman

Ecole Polytechnique de Bruxelles, ULB.

Né en 1959. Docteur en Sciences appliquées et Ingénieur civil physicien  de l’ULB. Post-doctorat à l’Institut National Polytechnique de Grenoble, à la Fondazione Ugo Bordoni de Rome, l’Australian National University. Professeur à l’Ecole Polytechnique de Bruxelles, ULB. Son enseignement et ses recherches en optique ont été récompensés par le Prix Socrate (2005), le Prix De Boulpaepe (2001), le Prix Alcatel-Bell (2001), le Prix Fabry de Gramont (1995), le Prix Pankowski-Kipffer (1994).

Le projet

1. L’intelligence artificielle au service des télécommunications

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Nos recherches en intelligence artificielle ont pour objet la réalisation pratique de calculateurs analogiques performants permettant de résoudre des tâches telles que la reconnaissance d’images ou de la parole qui, pour des raisons de complexité et de vitesse d’exécution, ne peuvent être traitées efficacement avec des ordinateurs classiques.

Grâce à la technologie de l’optique et grâce à une conception nouvelle directement inspirée du fonctionnement du cerveau biologique, nous concevons des calculateurs analogiques dont la vitesse d’exécution est si grande qu’elle nous permet de proposer des applications nouvelles de traitement de données ultra-rapides adaptées aux systèmes de télécommunications optiques qui depuis peu sous-tendent notre société de l’information.

2. Traiter l’information en s’inspirant de la nature

Les systèmes biologiques de traitement de l’information, et en particulier le cerveau, sont remarquablement efficaces.

D’une part, ils sont extrêmement économes en énergie et en encombrement. De ces deux points de vue, six ordres de grandeur les séparent des ordinateurs classiques actuels. D’autre part, ils réalisent facilement des tâches complexes à des vitesses d’exécution inaccessibles aux ordinateurs classiques.

Paradoxalement, si ces systèmes biologiques ont inspiré le développement de l’intelligence artificielle, les applications pratiques dans ce domaine ont été cantonnées jusqu’à aujourd’hui à des implémentations sur ordinateurs classiques à l’aide d’algorithmes digitaux. Le potentiel de l’intelligence artificielle s’en trouve dès lors fondamentalement sous-exploité.

Notre but est de remédier à cette situation en concevant et en réalisant des systèmes physiques « analogiques » de traitement de l’information directement inspirés des systèmes biologiques.

Nous nous basons pour cela sur un concept d’intelligence artificielle très récent appelé « reservoir computing ».

L’intérêt de ce concept est qu’il rend possible l’implémentation physique de systèmes réalistes basés sur la technologie standard des télécommunications optiques modernes ultra-rapides, ce qui nous permet d’ambitionner le développement de calculateurs analogiques optiques de vitesse d’exécution jamais égalée atteignant les mille milliards d’opérations élémentaires par seconde.

3. La technologie optique : de la télécommunication à l’informatique

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La recherche proposée a pour objectif la conception et la réalisation pratique de calculateurs analogiques performants de type « réservoir ».

Ce choix est motivé par la simplicité conceptuelle et la facilité de mise en œuvre de ces calculateurs.

En particulier, ils peuvent être conçus sur base de la technologie de l’optique « non linéaire » qui fait partie de nos domaines d’expertise théorique et expérimentale.

Cette expertise constitue un atout considérable dans la mesure où l’optique permet de manipuler l’information beaucoup plus rapidement que l’électronique et qu’elle possède, pour cette raison, un énorme potentiel d’applications, déjà largement exploité en télécommunications.

Mais si les premiers calculateurs analogiques optiques de type réservoir ont vu le jour et ont été testés avec succès, un travail considérable reste à faire pour en exploiter tout leur potentiel.

4. Augmenter la vitesse d’exécution en revenant à l’analogique

Jusqu’à présent, aucune des réalisations expérimentales ne permet de s’affranchir de l’étape de post-traitement numérique des données fournies par le réservoir ; une étape qui pourtant limite fondamentalement la vitesse d’exécution des tâches.

Nous avons récemment montré que cette étape peut être remplacée par un traitement analogique « en temps réel » de la sortie du réservoir mais de nombreuses améliorations doivent encore être apportées, que ce soit sur le plan des principes théoriques mis en œuvre ou sur le plan de la physique qui les sous-tend. Au-delà de la vitesse d’exécution, les réservoirs autonomes ouvriront un vaste champ de possibilités nouvelles telles que le couplage de plusieurs réservoirs ou le bouclage d’un réservoir sur lui-même.

5. Exploiter la vitesse et le parallélisme inhérent à la lumière

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L’optique permet d’adopter une architecture parallèle (plutôt que séquentielle comme c’est le cas actuellement) qui combinée à l’utilisation de matériaux optiques non linéaires à réponse rapide et intégrés sur puce, conduirait à une vitesse d’exécution et une consommation énergétique incommensurables avec celles de l’électronique actuelle.

Par exemple, nous préparons actuellement la mise en œuvre d’un réservoir basé sur la circulation d’un faisceau laser dans une cavité optique munie de cellules à absorption saturable constituant les neurones du système. Un simple dimensionnement de ce système nous indique qu’une vitesse d’exécution de l’ordre du millier de milliards d’opérations élémentaires par seconde est tout à fait réaliste.

Au niveau applications, nous étudions actuellement par simulations numériques l’application du reservoir computing à l’égalisation de canal de télécommunication hyperfréquence à très grande bande passante (égalisation = correction des distorsions des signaux transmis).

Une fois la caractérisation numérique complétée nous passerons à la mise en œuvre pratique. Nous envisageons également l’application du reservoir computing à la robotique.

6. Un projet conjoint entre la Faculté des Sciences et l’École Polytechnique de Bruxelles (ULB)

L’activité de recherche sur le reservoir computing à l’Université libre de Bruxelles est menée sous la direction conjointe de Serge Massar et Marc Haelterman dont les équipes réunissent ensemble les conditions intellectuelles et matérielles nécessaires à la réalisation de ce projet transdisciplinaire ambitieux.

Serge Massar dirige le Laboratoire d’Information Quantique de la Faculté des Sciences, et Marc Haelterman assure la direction scientifique d’une partie de l’équipe OPERA-Photonique de l’Ecole Polytechnique.

L’équipe bénéficie également de la proche collaboration du service OPERA-Wireless Communications (ULB), spécialiste entre autres des télécommunications hyperfréquence pour lesquelles le reservoir computing possède un haut potentiel d’application.

Il y a 3 ans l’équipe fait figure de pionnier en proposant la première réalisation d’un calculateur analogique basé sur des composants standard de télécommunications optiques.

A cette occasion, l’équipe avait introduit l’architecture séquentielle qui est utilisée actuellement par toutes les équipes travaillant sur le thème du reservoir computing.

La première publication de l’équipe sur le reservoir computing date de 2010 et les résultats aussi bien théoriques qu’expérimentaux se sont succédé rapidement depuis.

L’équipe de l’ULB fait partie des leaders mondiaux de ce domaine scientifique émergent.

Budget sur 5 ans

RESSOURCES HUMAINES

Notre équipe « reservoir computing » compte actuellement 2 permanents (S. Massar & M. Haelterman), 3 postdoctorants, 1 doctorant et 2 mémorants.

Maintenir une équipe de cette taille nécessite la recherche permanente de financements.

Par ailleurs, certains mémorants brillants doivent pouvoir bénéficier d’une bourse leur assurant l’accès à un doctorat dans notre laboratoire.

EQUIPEMENT

Notre activité expérimentale « reservoir computing » a nécessité un investissement d’approximativement 200.000 €, essentiellement pour de l’électronique rapide et à grande capacité de mémoires (oscilloscopes et générateurs de fonctions), ainsi que dans une moindre mesure pour des équipements optiques.

Nous envisageons un niveau d’investissement en équipement d’au moins 50.000 €/an sur les 4 prochaines années.

FONCTIONNEMENT

Les consommables coupleurs FBG, (sources de courant de tension amplis, drivers, diodes laser FPGA, ordinateurs, générateur de fonction), la maintenance de l’équipement, la diffusion des résultats (publications, participation à des conférences), totalisent au moins 30.000 €/an.

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Autre

La fiche du projet disponible en PDF ici.