Le professeur d'ingénierie VCU aide à ouvrir la voie vers une informatique plus puissante

30 août 2023

Un professeur d'ingénierie de l'Université du Commonwealth de Virginie jette un nouvel éclairage sur un concept vieux de plusieurs décennies, qui pourrait stimuler les progrès de la défense nationale aux voitures et télécommunications sans conducteur.

Nathaniel Kinsey, Ph.D., professeur à la Fondation d'ingénierie au département de génie électrique et informatique de VCU, dirige un groupe de chercheurs qui explorent les frontières de l'informatique optique et de l'apprentissage automatique. En se concentrant sur la nanophotonique, il étudie l'interaction de la lumière avec les matériaux à la plus petite échelle.

Bien que le concept de calcul optique ne soit pas nouveau, l’intérêt et le financement ont diminué dans les années 1980 et 1990, à mesure que le traitement des puces de silicium s’est avéré plus rentable. Mais les récents ralentissements dans la mise à l’échelle des technologies basées sur le silicium ont ouvert la porte à une révision des méthodes de traitement des données.

"L'informatique optique pourrait être la prochaine grande nouveauté en matière de technologie informatique", a déclaré Kinsey. « Mais il existe de nombreux autres prétendants, comme l’informatique quantique, pour la prochaine nouvelle présence dans l’écosystème informatique. Quoi qu’il arrive, je pense que la photonique et l’optique vont être de plus en plus répandues dans ces nouvelles méthodes de calcul.

Tout d’abord, un lien rapide entre l’homme et la machine : un neurone est une cellule cérébrale qui aide les humains à penser, et dans la même veine, un réseau neuronal artificiel aide les machines à apprendre – par exemple, c’est ce qui aide Siri à comprendre nos invites et à y répondre. L'un des composants puissants d'un réseau neuronal est le perceptron, et Kinsey cherche à utiliser la lumière (signaux optiques) au lieu du traitement numérique traditionnel (signaux électriques) pour créer ce composant. Ses travaux sur les « perceptrons optiques non linéaires » ont bénéficié d’un financement du Bureau de recherche scientifique de l’Air Force, et le ministère de la Défense considère le calcul optique comme une avancée prometteuse dans l’imagerie militaire.

"Disons que vous voulez trouver un char dans une image", a déclaré Kinsey. « Utiliser une caméra pour capturer la scène, traduire cette image en signal électrique et la faire passer par un processeur informatique traditionnel basé sur un circuit en silicium nécessite beaucoup de puissance de traitement – ​​en particulier lorsque vous essayez de détecter, de transférer et de traiter des pixels plus élevés. résolutions. Avec le perceptron optique non linéaire, nous essayons de découvrir si nous pouvons effectuer les mêmes types d'opérations uniquement dans le domaine optique sans avoir à traduire quoi que ce soit en signaux électriques.

"L'élimination ou la minimisation de l'électronique est une sorte de Saint Graal en ingénierie depuis plusieurs années", a ajouté Kinsey. « Pour les situations où l'information existe naturellement sous forme de lumière, pourquoi ne pas avoir un système d'entrée et de sortie optique sans électronique au milieu ? »

Les systèmes optiques linéaires, comme les circuits intégrés photoniques courants dans les communications par fibre optique, utilisent une énergie limitée mais ne sont pas capables d'effectuer un traitement d'image complexe. La construction de systèmes optiques non linéaires élargirait les fonctionnalités, ce qui les rendrait idéaux pour les plates-formes de télédétection sur drones et satellites – par exemple pour identifier les chars ou les mouvements de troupes dans le cadre d’un système d’alerte précoce. Les recherches de Kinsey visent à déterminer l'impact des besoins en énergie supplémentaires dans le calcul optique non linéaire.

Il existe également des applications non militaires potentielles, même si les applications grand public pourraient attendre des années. Dans les voitures sans conducteur, l’informatique optique pourrait améliorer le LiDAR – l’équipement de détection et de télémétrie de la lumière qui suit les obstacles et aide à maintenir des distances de sécurité. Pour les microbiologistes, la microscopie à fond noir pourrait être améliorée pour examiner des échantillons cliniques. Dans les télécommunications, les réseaux de neurones optiques pourraient lire les étiquettes d'adresse et envoyer des paquets de données sans électronique.

Dans le cadre de la recherche, Kinsey et ses collaborateurs du National Institute of Standards and Technology – parmi lesquels Dhruv Fomra, l'un des anciens doctorants de Kinsey. les étudiants de VCU – travaillent à la conception d’un nouveau type de matériau optiquement sensible. Leur objectif est de concevoir et de produire un dispositif combinant un matériau unique, appelé epsilon-neary-zero, et une surface nanostructurée pour offrir un contrôle amélioré de la transmission et de la réflexion de la lumière – et avec des besoins énergétiques limités, car la lumière est courbée et façonnée le long du corps. la surface pour effectuer le traitement des données.