La première porte logique photonique fonctionnelle

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L’électronique est une technologie incroyablement féconde. Des décennies de raffinement l’ont portée à des sommets difficilement imaginables pour les physiciens des années 50. Pourtant, la limite à la miniaturisation des transistors est en vue. Un remplaçant devra être trouvé tôt ou tard. Pourquoi pas la photonique ?

Tous les ordinateurs actuels fonctionnent avec des composants électroniques. C’est-à-dire que l’on manipule des flots d’électrons, des courants, pour effectuer des calculs en binaire. Le binaire est pratique car il permet de représenter tous les nombres uniquement avec des zéros et des uns. Or, on peut représenter « un » par un courant suffisamment élevé et « zéro » par un courant nul ou trop faible. Pour matérialiser cette vision, un composant est fondamental : le transistor. Techniquement, c’est une version miniaturisée et solide de l’antique lampe triode du début du siècle dont la fonction principale en électronique digitale (binaire) est celle d’un interrupteur.

C’est un composant à trois pattes. Il laisse passer le courant entre deux (Collecteur et Émetteur) de ses pattes en fonction d’un courant de contrôle appliqué sur la troisième (la Base). En assemblant plusieurs « interrupteurs », on fait des « portes logiques » lesquelles s’assemblent à leur tour en fonctions plus complexes, capables d’additionner deux nombres par exemple, etc.

Les microprocesseurs modernes totalisent des millions de portes et des milliards de transistors. Or, un courant est un flot d’électrons qui se déplacent, ce qui nécessite de l’énergie, et les matériaux qu’ils traversent résistent à leur passage, ce qui produit de la chaleur. Chaque commutation d’un transistor nécessite ainsi une énergie d’autant plus grande que le transistor est gros, d’où l’intérêt de les miniaturiser au maximum.

En effet, si une seule commutation dégage une énergie négligeable les choses sont bien différentes avec des milliards de commutations se produisant des milliards de fois par seconde. Or, c’est exactement ce qui se passe dans un processeur moderne et c’est le principal facteur limitant leur puissance.

La miniaturisation des transistors va bon train et permet de réduire suffisamment leur consommation pour augmenter la puissance des puces avec une régularité étonnante. Malheureusement, c’est au prix de contorsions techniques de plus en plus difficiles et depuis quelques années déjà, les chercheurs planchent sur d’éventuelles solutions alternatives.

Ritesh Agarwal, qui a dirigé les recherches.

Parmi elles, la photonique est une candidate qui vient de devenir plus crédible avec les travaux des chercheurs de l’université de Pennsylvanie.

Le principe paraît simple, au lieu d’utiliser des électrons, utilisons des photons. Les photons sont rapides et n’occasionnent que très peu de chauffe. En d’autres termes, au lieu d’utiliser de l’électricité, utilisons de la lumière ! En pratique, c’est loin d’être simple, car il faut trois choses pour avoir un composant photonique fonctionnel :

  • Un émetteur laser miniature à un bout.
  • Un bon conducteur de photons au milieu.
  • Et un bon détecteur de lumière à l’autre bout.

Tout ça devant bien entendu être ultra-miniaturisé et extrêmement performant afin de consommer le moins possible et d’être compétitif face aux composants électroniques. Ce n’est pas une mince affaire…

Pourtant, en utilisant un nanofil de sulfate de cadmium coupé au milieu, les chercheurs ont réussi à fabriquer un « interrupteur » photonique.

En injectant suffisamment d’énergie à une extrémité du nanofil, une lumière laser est produite qui est conduite par la seconde moitié jusqu’à son autre extrémité. Elle peut y être mesurée avec suffisamment de précision pour représenter un « bit » fiable.

Le nanofil devient une cavité où la lumière se propage. (Simulation)

Or, quand on éclaire la structure avec une autre source, la lumière ne traverse plus le nanofil, le passage des photons est ainsi commandé par d’autres photons et nous avons un analogue au transistor.

Mieux, les scientifiques ont réussi à assembler plusieurs interrupteurs afin de former une « porte NAND ». La porte logique « NAND » (ou « NON ET » en français) est fondamentale, car elle constitue à elle seule une brique suffisante pour construire toutes les autres fonctions arithmétiques et logiques.

Si on est encore loin d’un processeur photonique complet, c’est un grand pas dans cette direction qui vient d’être fait. Qui sait ? Peut-être que d’ici 10 ans, la photonique prendra le relai d’une électronique à bout de souffle pour continuer à donner raison à G. Moore…

Source

le 4 322
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4 commentaires
  1. Merci pour cette articles de qualité. Instructif et très bien écrit, chose devenue trop rare dans le milieu des “geek news”. Merci encore et continuez comme ça !

  2. Merci car en plus c’est très compréhensible sans avoir vécu avec ces chercheurs géniaux

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