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Faire des calculs avec des ondes Wi-Fi

Pour certaines opérations mathématiques, faire des calculs analogiques au moyen d'ondes électromagnétiques – des ondes Wi-Fi par exemple – pourraient se révéler avantageux en termes de temps de traitement et de consommation d'énergie. C'est ce que démontre un chercheur de l'Institut Langevin1, avec un dispositif original qui s'affranchit de la fabrication de matériaux complexes.

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Les processeurs numériques n'ont cessé de gagner en puissance, grâce à l'augmentation constante de la densité de transistors sur les puces. Mais cette progression approche de ses limites, notamment en raison des problèmes de dissipation thermique posés par les puces de très grande densité. Une solution alternative serait d'effectuer des calculs de manière analogique avec des ondes électromagnétiques (l'information est codée dans la phase et l'amplitude de l'onde). C'est cette voie qu'a explorée un chercheur de l'Institut Langevin1, avec un dispositif original qui permet d'envisager de réaliser des calculs à haute vitesse et sans recourir à des matériaux complexes à fabriquer. Ces résultats ont été publiés2 en collaboration avec la start-up Greenerwave, elle-même issue de l'Institut Langevin.  La filiale de valorisation nationale du CNRS, CNRS Innovation, est au capital de Greenerwave.

Pour réaliser des calculs avec des ondes, la solution consiste habituellement à faire interagir l'onde électromagnétique avec un matériau précisément structuré pour effectuer l'opération visée. Mais cette voie a deux inconvénients : la fabrication du matériau réalisant une opération est difficile -parfois impossible, et le matériau ne peut être « reprogrammé » pour une opération différente. Le principe du dispositif mis au point à l'Institut Langevin permet de s'affranchir de ces contraintes. A la place d'un matériau structuré, il utilise un milieu chaotique (une cavité dans laquelle les ondes se réfléchissent de manière aléatoire), mais il réalise une mise en forme de l'onde avant qu'elle interagisse avec le milieu. Avec ce système les chercheurs ont réalisé expérimentalement un calcul matriciel qui intervient dans de nombreuses applications de calcul, et en particulier dans le fonctionnement des réseaux de neurones artificiels.


Le calculateur analogique de l'Institut Langevin est une cavité métallique d'environ 1 mètre cube, comportant des irrégularités géométriques internes. Sur les parois intérieures, 2 méta surfaces constituées de 88 réflecteurs ajustables, fournies par Greenerwave, permettent de façonner les ondes que l'on introduit dans la cavité. Avec quatre antennes Wi-Fi un champ d’ondes est créé dans la cavité qui interagit avec les méta surfaces et le résultat du calcul est mesuré.
Une première étape de calibrage du dispositif consiste à mesurer l'effet de chaque petit réflecteur sur la mise en forme de l'onde. Avec ces données, il est alors possible de « programmer » les méta surfaces pour l'opération que l'on veut réaliser. 

« Alors qu'un processeur numérique effectue le calcul matriciel par de nombreuses opérations successives, notre dispositif le réalise en une seule étape, et le temps de calcul ne dépend pas de la taille de la matrice », indique Philipp del Hougne, qui a réalisé ces travaux à l'Institut Langevin et qui est aujourd'hui chercheur à l'Institut de Physique de Nice. Une fois optimisé, le système devrait se révéler au moins aussi performant sur le plan énergétique qu'un calculateur numérique. Les réseaux de neurones artificiels étant un champ d'applications potentielles, le chercheur projette maintenant de réaliser un réseau de neurones complet sur le même principe de manipulation des ondes.

1 Institut Langevin (CNRS/ESPCI Paris)

 “Leveraging Chaos for Wave-Based Analog Computation: Demonstration with Indoor Wireless Communication Signals”. Philipp del Hougne et Geoffroy Lerosey. Phys. Rev. X 8, 041037 – Publié le 30 Novembre 2018

Contact
Philipp del Hougne / Institut Langevin / philipp.delhougne@gmail.com