La course à la puissance de calcul spatial est devenue une véritable course aux armements.
Elon Musk estime que d'ici 2032, les satellites d'IA spatiaux alimentés à l'énergie solaire constitueront la solution de calcul la plus économique au monde.
L'analyse du PDG de Nvidia, Jensen Huang, en mars dernier, a également en quelque sorte défini la nature de cette course : l'intelligence doit être présente partout où des données sont générées.
Après l'intervention de ces deux géants, le champ de bataille de la puissance de calcul spatial a été porté à un niveau sans précédent, mais les défis d'ingénierie auxquels est confronté le calcul spatial restent bien plus rudes que sur Terre.
Sans convection d'air, les puces ne peuvent pas dissiper la chaleur ; l'univers est rempli de particules de haute énergie pouvant à tout moment provoquer des erreurs dans les puces...
△Satellites de calcul internationaux et chinois (généré avec l'aide de l'IA)
De son côté, Elon Musk, a également été repéré avec une nouvelle orientation – sa société SpaceX envisagerait d'acquérir la société de modules optiques Mesh.
Mesh, qui a attiré l'attention de Musk, a pour activité principale la production en série de transceivers optiques afin d'améliorer l'efficacité de communication des centres de données IA, et ainsi d'augmenter la qualité et l'efficacité.
Pourquoi le calcul optique est-il naturellement adapté à l'espace
Dans la course à la puissance de calcul spatial, les puces font face à des défis bien plus rigoureux que sur Terre. Les charges utiles de calcul doivent franchir trois obstacles – les radiations, la dissipation thermique, et la consommation d'énergie.
Les puces électroniques traditionnelles dépendent du stockage de charges et du fonctionnement de transistors à base de silicium, alors que l'espace est rempli de particules cosmiques de haute énergie.
Si une particule de haute énergie frappe une puce, elle peut provoquer des effets comme le retournement de particule unique (SEU) ou le verrouillage par particule unique (SEL), entraînant des erreurs de calcul voire la défaillance du composant.
Les puces de calcul optique contournent fondamentalement cet obstacle.
Le calcul optique utilise les photons comme porteurs d'information de calcul. Les photons étant naturellement neutres, ils sont immunisés contre les interférences directes des impacts de particules de haute énergie, éliminant le besoin de conceptions de protection spéciales contre les radiations.
La dissipation thermique est le deuxième obstacle, et peut-être le plus épineux.
Lorsqu'une puce électronique traditionnelle fonctionne, le déplacement des électrons dans les conducteurs et la commutation des transistors génèrent inévitablement de la chaleur. Les tâches d'IA demandant un énorme besoin de déplacement de données et de calcul, la consommation d'énergie et la génération de chaleur des puces électroniques restent élevées.
L'espace est un environnement vide, sans convection d'air, où seuls la conduction thermique et le rayonnement thermique permettent la dissipation de la chaleur.
Ces conditions de dissipation thermique rigoureuses limitent facilement les performances des puces traditionnelles, pouvant même entraîner leur défaillance.
Le fonctionnement des puces de calcul optique est totalement différent. La lumière se propage dans des guides d'ondes pour effectuer les calculs, un processus qui génère presque pas de chaleur.
Le troisième obstacle est la consommation d'énergie.
Les satellites en orbite dépendent fortement des panneaux solaires pour leur alimentation. Lorsqu'ils entrent dans la période d'ombre de l'orbite, ils ne comptent que sur les batteries embarquées, l'approvisionnement en énergie étant extrêmement limité.
Plus la consommation d'énergie des puces à haute performance est élevée, plus la surface des panneaux solaires nécessaires est grande, ce qui augmente le poids, le volume du satellite et les coûts de lancement.
La consommation statique des puces de calcul optique est théoriquement proche de zéro, ce qui correspond naturellement aux contraintes énergétiques strictes des satellites, contournant ainsi la moitié de cet obstacle.
Les trois caractéristiques du calcul optique – résistance aux radiations, faible émission de chaleur et faible consommation d'énergie – sont des "atouts majeurs" qui aident directement le calcul spatial à franchir les obstacles technologiques des premières phases dans l'environnement spatial.
Après avoir franchi ces trois obstacles, le calcul optique possède un avantage systémique dans le contexte spatial que le calcul électronique a du mal à égaler –
À poids de charge utile égal, le calcul optique peut fournir une puissance de calcul totale plus élevée.
Transporter un centre de données terrestre dans l'espace, la contrainte principale est le poids et le volume de la charge utile.
Toute l'architecture des serveurs traditionnels est conçue pour une configuration terrestre. Pour envoyer la puissance de calcul dans l'espace, les puces de calcul, la mémoire, le CPU ainsi que les systèmes de refroidissement, les couches de blindage contre les radiations... chaque composant occupe un espace précieux dans la charge utile, laissant peu d'espace réellement disponible pour le calcul.
L'approche de Nvidia consiste à intégrer le CPU et le GPU sur une seule puce, pour réaliser une puissance de calcul relativement importante avec une taille et un poids très réduits. Le module Space-1 Vera Rubin est la continuation de cette idée.
Mais le calcul optique peut aller beaucoup plus loin.
Étant donné que les puces de calcul optique génèrent peu de chaleur et consomment peu d'énergie, les structures de refroidissement et les systèmes d'alimentation nécessaires peuvent être plus légers et plus petits. Dans une charge utile de même poids, le calcul optique peut accueillir plus de puissance de calcul.
Par conséquent, avec le même approvisionnement en énergie et les mêmes conditions de refroidissement, la puissance de calcul totale réalisée par le calcul optique est supérieure à celle du calcul électronique.
△Les trois avantages du calcul optique dans le contexte spatial (généré avec l'aide de l'IA)
Selon Pu Huanan, vice-président de l'Institut de recherche scientifique et technologique Photon-Centric, cette supériorité repose sur une dynamique endogène profonde.
L'amélioration des performances des puces de calcul électronique a longtemps dépendu de la miniaturisation des procédés – intégrer plus de transistors sur la même surface, augmenter la densité de calcul via des interconnexions plus fines.
Cependant, cette voie a une limite physique. Lorsque l'espacement des grilles des transistors est réduit à un certain point, l'effet tunnel quantique apparaît inévitablement.
Les électrons peuvent traverser des barrières théoriquement infranchissables, provoquant des fuites de courant et des erreurs de calcul, c'est un plafond que le calcul électronique ne peut contourner au niveau physique.
Le calcul optique emprunte un chemin totalement différent.
La fabrication des puces de calcul optique ne dépend pas du système de procédés avancés dominé par les machines de lithographie à ultraviolets extrêmes (EUV). Les procédés existants de 45 nanomètres et plus, voire au niveau submicronique, peuvent satisfaire les besoins de fabrication des puces de calcul optique.
L'augmentation de la puissance de calcul optique repose sur l'expansion de l'échelle du calcul optique et sur l'utilisation pleine des multiples dimensions de multiplexage intrinsèques aux photons, comme la longueur d'onde, la polarisation, les modes optiques, etc.
Sur cette voie, l'émission de chaleur et la consommation d'énergie du calcul optique restent stables, les coûts peuvent être contrôlés efficacement, et le plafond de la puissance de calcul est encore loin d'être atteint.
La photonique ouvre la voie, du sol à l'inférence en orbite spatiale
Le photon est le support central du calcul optique.
L'idée de base du calcul optique est d'utiliser les photons pour remplacer les électrons dans la partie la plus cruciale du calcul d'inférence IA, à savoir les nombreuses opérations matricielles.
L'avantage des puces de calcul optique réside dans le fait qu'une seule propagation de lumière peut effectuer simultanément un grand nombre de ces multiplications, très rapidement et en générant presque pas de chaleur.
Cependant, à l'échelle de l'industrie, la plupart des solutions de calcul optique, comparées au calcul électronique, ont encore un certain écart avant de pouvoir être véritablement déployées à grande échelle, de manière générique et stable.
Les deux problèmes les plus saillants sont :
Premièrement, la mémoire et le calcul restent séparés. Lors de l'inférence IA, les paramètres du modèle doivent être fréquemment transférés de la mémoire externe vers l'unité de calcul, la bande passante mémoire devenant le goulot d'étranglement de tout le système ;
Deuxièmement, l'intégration à grande échelle est difficile. En raison des contraintes physiques de la plateforme silicium-photonique sur la taille des puces, la déformation et la densité d'interconnexion, il n'est pas facile d'étendre l'échelle de calcul avec les schémas de calcul optique traditionnels.
Ces deux seuils maintiennent le calcul optique à une certaine distance de l'écosystème de calcul mature et complet des puces électroniques.
△Architecture de calcul en mémoire photonique de Photon-Centric Tech
△Système de calcul optique à substrat de verre à encapsulation multicouche de Photon-Centric Tech
Mais du sol à l'espace, Pu Huanan estime que "le calcul optique doit encore franchir un obstacle d'industrialisation".
La phase de lancement de la fusée est extrêmement violente et génère des vibrations intenses. La structure optique, comparée aux puces purement électroniques, introduit plus d'emballage, et la stabilité structurelle des puces sous des vibrations de haute intensité fait face à des défis supplémentaires.
Une fois en orbite, le système de calcul optique doit également passer une validation systémique de l'énergie, du contrôle thermique et des communications dans l'environnement spatial réel.
Calcul et interconnexion optiques, la prochaine carte maîtresse de la puissance de calcul spatial
Cette voie est similaire à la logique de Nvidia évoluant d'un seul GPU vers des solutions au niveau du cluster, mais les trajectoires technologiques sous-jacentes sont totalement différentes.
En regardant l'ensemble de l'industrie du calcul basé dans l'espace, le développement actuel en est encore à un stade très précoce, loin d'un déploiement commercial à grande échelle.
Validation technique, intégration système, déploiement à grande échelle, chaque étape a encore de nombreux défis d'ingénierie à surmonter.
Les ressources énergétiques limitées des plates-formes embarquées sur satellite, le cycle d'itération des puces spatiales, l'entrée en orbite à faible coût et à grande échelle, ce sont des seuils que le calcul spatial doit franchir pour passer de l'expérimentation à la commercialisation.
Ce n'est que lorsque le coût global du calcul spatial sera inférieur à celui du calcul terrestre, ou lorsque les scénarios spatiaux pourront offrir des services à haute valeur ajoutée que le sol ne peut remplacer, que la commercialisation aura une véritable dynamique.
La piste de la puissance de calcul spatial vient juste de s'ouvrir. Le choix de la trajectoire technologique pour les puces et systèmes de calcul détermine le plafond de capacité des futures constellations de calcul.
Le calcul électronique atteint progressivement ses limites face aux contraintes des procédés, tandis que le calcul et l'interconnexion optiques pourraient bien être une carte clé pour contourner les contraintes physiques et se démarquer dans cette course.
Cet article provient du compte WeChat officiel : Quantum Bits , auteur : Suivre les technologies de pointe, titre original : "La réponse chinoise à la puissance de calcul spatial : plus efficace avec les photons ! Musk et Huang Renxun prennent un chemin trop détourné"
