Équipe de l'Université de Shenzhen : Une Nouvelle Architecture de Calcul Optique Intégré pour les Systèmes AI Edge

Une équipe de recherche de l'Université de Shenzhen, dirigée par les professeurs Zhang Han et Wei Songrui, en collaboration avec l'Université de Hong Kong, l'Université des Sciences et Technologies du Sud, et le Laboratoire Pengcheng, a conçu une nouvelle architecture de calcul optique qui pourrait revolutionner les systèmes d'IA en périphérie, la cinématique médicale et la reconnaissance sécurisée. Leur travail, intitulé "Multiplication matricielle-vecteur par fluorescence : réalisation du calcul intégré à la mémoire et à l'affichage", a été publié dans le numéro de juillet 2025 du journal Optica (volume 12, numéro 7). Contexte et Défis Les avancées récentes en intelligence artificielle et en systèmes de perception intelligente ont accru la demande pour des dispositifs de traitement de l'information plus performants. Les systèmes de calcul traditionnels, basés sur l'architecture von Neumann, présentent plusieurs limites, notamment la séparation des fonctions de perception, de stockage, de traitement et d'affichage, ce qui entraîne des transferts de données fréquents et une consommation d'énergie élevée. Les réseaux neuronaux optiques (ONNs) sont considérés comme une solution prometteuse grâce à leurs capacités de traitement parallèle rapide et à leur faible latence. Cependant, la plupart des systèmes actuels ne parviennent pas à intégrer complètement le calcul et l'affichage, restant dépendants de modules électroniques pour l'affichage des résultats. Nouvelle Architecture : FMVM L'équipe de Shenzhen a proposé une architecture de calcul optique innovante basée sur la multiplication matricielle-vecteur par fluorescence (FMVM). Cette approche utilise des matériaux changements de couleur sous l'effet de la lumière, tels que les paires moléculaires spiropyran (SP) / merocyanine (MC). Sous l'influence de la lumière ultraviolette (UV), les molécules SP, qui ne fluoresencent pas, se transforment en MC, qui fluorescellent. Cette transformation est réversible sous la lumière visible, permettant ainsi de créer une matière capable de stocker des poids optiques programmables de manière non volatile. Fabrication et Fonctionnement Le processus de fabrication implique la dispersion uniforme de molécules SP dans une matrice de méthacrylate de méthyle (MMA). Grâce à la technologie de traitement numérique de la lumière (DLP), des motifs UV spécifiques sont projetés sur le film, ajustant la concentration de MC et régulant la luminescence fluorescente de manière spatiale. Ceci permet d'écrire et de réécrire les poids. Lors du calcul, les signaux d'entrée UV, dont l'intensité représente les vecteurs d'entrée, induisent une émission fluorescente proportionnelle à la multiplication des poids préalablement écrites et de l'entrée. Le motif fluores-cent obtenu peut être directement observé à l'œil nu ou capturé par une caméra, éliminant ainsi le besoin de convertisseurs électriques et de dispositifs d'affichage traditionnels, et rendant le calcul totalement intégré à la mémoire et à l'affichage. Caractérisation des Matériaux Comme le montrent les figures 2 et 3, les films SP-MC présentent des propriétés de changement de couleur optique réversibles, stables et à haute résolution. Les tests ont démontré une résolution de fluorescence de 5 bits (32 niveaux) et une précision spatiale de programmation de l'ordre de 33 µm à l'échelle microscopique. La réponse à l'émission fluorescente s'effectue en moins de 10 nanosecondes, avec une bande passante dépassant 100 MHz, répondant aux besoins de calculs rapides. De plus, les motifs de poids peuvent être maintenus stablement dans l'obscurité et résistent à de multiples cycles d'écriture- effacement, offrant une fonctionnalité de stockage non volatile. Applications Pratiques La figure 4 illustre l'application concrète de cette architecture dans un réseau neuronal fluorescent capable d'identifier les empreintes digitales de trois individus différents. Le système projette les motifs de poids UV pour effectuer la multiplication matricielle-vecteur, puis affiche les noms correspondants. Des simulations et des expérimentations ont été réalisées pour comparer les performances du système, montrant que les résultats peuvent être améliorés par des opérations de summation et de non-linéarité. Avantages et Perspectives La FMVM présente plusieurs avantages majeurs par rapport aux architectures ONN traditionnelles : 1. Zéro ADC/DAC : Le traitement est effectué entièrement à l'optique, sans nécessité de conversion d' signal. 2. Faible consommation d'énergie : Les poids peuvent être stockés sans énergie continue, idéal pour les scénarios d'IA en périphérie. 3. Affichage en parallèle : Les motifs fluorescents peuvent afficher plusieurs résultats simultanément. 4. Stockage non volatile : La possibilité d'écriture-effacement répétée et d'un stockage à long terme. 5. Flexibilité des matériaux : L'approche peut être étendue à divers matériaux fluorescents, tels que des points quantiques, des cadres métallo-organiques (MOF) et des nanoparticules de carbone, favorisant des réponses multibande. Conclusion Cette recherche marque une étape importante dans le développement de plateformes de calcul intégrées, combinant perception, mémoire, calcul et affichage. Elle offre des perspectives encourageantes pour des applications futures, notamment dans les dispositifs portables, les systèmes d'IA en périphérie, le traitement des signaux de lumière naturelle et la reconnaissance optique sécurisée. Ce travail a bénéficié du soutien de several projets de recherche financés par le Fonds National de la Recherche Naturelle, le Programme Paon de Shenzhen, et la Commission de la Science et de l'Innovation de Shenzhen. L'article, cosigné par Songrui Wei, Shangcheng Yang, Dingchen Wang, Xiao Tang, Kunbin Huang, Yanqi Ge, Bowen Du, Zhi Chen, Zhongrui Wang, Xiaojun Liang, Weihua Gui, Wen Gao, Dianyuan Fan, et Han Zhang, s'inscrit dans une démarche multidisciplinaire ambitieuse, ouvrant de nouveaux horizons en informatique optique.