Une équipe de Polytechnique Montréal ouvre la voie à une nouvelle génération de puces photoniques susceptibles de réduire la consommation électrique des centres de données et de l'IA générative. Elle dévoile le 29 mai sa découverte dans Science Advances, une publication de la prestigieuse famille Science.

Pierre-Luc Thériault, étudiant au doctorat en génie physique et premier auteur de l'article, aligne un montage utilisé dans le cadre de cette étude. (Photo : Caroline Perron). 

Chaque seconde, les données de milliards de courriels, de vidéos TikTok et de requêtes de recherche ou d'IA générative parcourent la planète sous forme de signaux lumineux à travers des réseaux de fibres optiques. 

En chemin, ces signaux lumineux croisent des composantes qui agissent comme des chefs d'orchestre pour la lumière. Ce sont les puces photoniques. En plus de coordonner la circulation des signaux, celles-ci les orientent ou les combinent pour assurer une transmission fluide de l'information à travers le réseau. 

Mais les puces photoniques ont leurs limites. Difficile pour elles de réaliser des opérations de transformation de la lumière requises pour nos télécommunications. Pour convertir les signaux électriques en signaux optique ainsi que les amplifier, les centres de données s'en remettent à des composantes supplémentaires qui ont, elles, un défaut important : celui de consommer de l'énergie... et de générer de la chaleur. 

Une IA qui crée de nouveaux besoins 

À l'heure actuelle, l'empreinte énergétique de ces composantes demeure relativement faible, représentant quelques pourcents de la consommation électrique totale d'un centre de données. L'essor de l'IA générative change toutefois complètement la donne. 

Contrairement à une recherche ponctuelle sur un moteur de recherche, les IA génératives reposent sur des allers-retours constants d'information entre serveurs et processeurs, multipliant ainsi les étapes de conversion et d'adaptation des signaux lumineux. Ce qui encore hier ne constituait qu'un coût énergétique marginal est en voie de devenir un enjeu structurel qui menace de freiner la mise à l'échelle des outils basés sur l'IA générative. Maintenir le statu quo reviendrait ainsi à accepter une hausse rapide  et potentiellement insoutenable  de la consommation énergétique des infrastructures numériques, déjà estimée à environ 2 % de l'électricité produite mondialement. 

Mais une équipe de Polytechnique Montréal menée par Stéphane Kéna-Cohen, professeur au Département de génie physique, a peut-être identifié une avenue pour éviter le problème. Elle présente sa découverte aujourd'hui dans un article publié dans la revue Science Advances. 

Le professeur Stéphane Kéna-Cohen. (Photo : Sarah Latulippe)

Faire « travailler » la lumière 

L'équipe de Polytechnique a identifié un nouveau matériau à intégrer directement sur une puce pour lui conférer des fonctions optiques avancées et lui permettra d'agir directement sur la lumière sans nécessiter de conversion électrique intermédiaire. 

La clé de cette approche repose sur l'utilisation d'une molécule organique qui interagit fortement avec la lumière, et connue sous le nom de triphénylamine-dicyanoquinoxaline, ou TPA-QCN plus simplement. Ce matériau possède ce que les physiciens appellent une non-linéarité optique de second ordre  une propriété qui permet à la lumière d'interagir avec elle-même. Concrètement, cela ouvre la porte à la création de nouveaux signaux lumineux, et donc à des fonctions comme l'amplification ou la modulation, directement sur la puce.

Déposé en une fine couche sur la puce par évaporation sous vide, ce matériau forme un mince film dans lequel les molécules ne s'organisent pas totalement au hasard : elles présentent plutôt une orientation dominante. 

« Cet alignement spontané des molécules peut sembler n'être qu'un détail, mais au niveau physique il a un impact majeur, explique Stéphane Kéna-Cohen. Grâce à elle, le matériau permet une manipulation de la lumière qui est impossible sur les puces photoniques actuelles à base de silicium. » 

Non seulement ce matériau fait de molécules organiques manipule-t-il la lumière, mais il est en plus compatible avec les méthodes employées présentement dans l'industrie pour fabriquer des puces photoniques sur silicium. « On peut maintenant envisager sérieusement d'intégrer de nouvelles fonctions directement sur les puces photoniques, souligne d'ailleurs Pierre-Luc Thériault, étudiant au doctorat en génie physique et premier auteur de l'article. Tout peut se faire à basse température et à faible coût avec ce qui est déjà en place dans l'industrie de fabrication des puces photoniques. » 

Arnaud Petit, étudiant au doctorat et co-auteur de l'étude, prépare un échantillon sur lequel sera déposé une couche mince de molécules organiques par évaporation thermique sous vide. (Photo : Martin Primeau)

L'équipe a démontré une application concrète de sa découverte dans son article, en concevant un dispositif intégré capable de convertir de la lumière infrarouge en lumière visible rouge. Une preuve de principe qui ne constitue qu'une première étape, confie le professeur Kéna-Cohen. « En utilisant d'autres types de molécules auto-alignées, on arrive déjà à des performances supérieure », précise-t-il. 

L'approche développée par l'équipe de Polytechnique ouvre ainsi la voie à la conception d'une nouvelle génération de modulateurs optiques, d'amplificateurs photoniques et même de sources de lumière adaptées aux technologies quantiques  des composantes qui permettent respectivement d'encoder l'information, de renforcer les signaux et de produire des formes particulières de lumière. 

« Si l'on parvient à rassembler ces fonctions sur une même puce, on simplifie tout le système : moins de détours, moins de chaleur, et une infrastructure mieux adaptée à ce qui s'en vient », résume Stéphane Kéna-Cohen. 

Les chercheurs ont utilisé des guides d'ondes  des canaux microscopiques fabriqués sur une plaquette de silicium  pour guider la lumière. De longs guides d'ondes de différentes largeurs sont visibles sur la puce, où une fine couche de molécules organiques transforme la lumière à mesure qu'elle la traverse (Photo : Pierre-Luc Thériault)

Le lancement récent de nouvelles générations de puces d'IA, comme les TPU 8t et 8i de Google, illustre bien comment le monde de la microélectrique opère une transformation qui amène de nouveaux défis. En multipliant les échanges entre processeurs, ces nouvelles puces font de la circulation de la lumière l'un des principaux points de tension énergétique des centres de données. 

Dans ce contexte, les avancées en photonique intégrée, comme celles proposées par l'équipe de Polytechnique Montréal, pourraient devenir un levier clé non pas en remplaçant l'électronique, mais en redonnant à la lumière un rôle central pour soutenir l'essor de l'IA à grande échelle. 

En savoir plus 

• Article publié dans Science Advances (en anglais)
• Fiche d'expertise du professeur Stéphane Kéna-Cohen
• Site du Département de génie physique