null
La compétition de puissance de calcul spatiale est déjà devenue une véritable course aux armements.
Selon Elon Musk, d’ici 2032, les satellites d’IA dans l’espace alimentés par l’énergie solaire deviendront le schéma de puissance de calcul le plus rentable à l’échelle mondiale.
Le jugement du PDG de Nvidia, Huang Renxun, en mars de cette année a également, dans une certaine mesure, donné une orientation à cette compétition : là où des données génératives existent, il doit y avoir une forme d’intelligence.
Après l’intervention de deux géants, la bataille de la puissance de calcul spatiale a été propulsée à un niveau sans précédent ; mais les défis d’ingénierie auxquels se heurte le calcul spatial restent beaucoup plus rudes que sur Terre.
Sans convection par l’air, la puce ne peut pas évacuer sa chaleur ; dans l’espace, il existe en permanence des particules énergétiques qui peuvent provoquer des erreurs dans la puce…
△ Satellites de calcul domestiques et étrangers (générés avec l’aide de l’IA)
De l’autre côté, Elon Musk est également accusé d’avoir de nouveaux mouvements — sa société SpaceX envisagerait d’acquérir la société de modules optiques Mesh.
Le Mesh, repéré par Elon Musk : son activité principale consiste à produire en masse des émetteurs-récepteurs optiques, afin d’améliorer l’efficacité des communications des centres de données de l’IA, et ainsi de mieux produire avec davantage de qualité et de rendement.
Pourquoi le calcul optique convient naturellement à l’espace
Dans la course à la puissance de calcul spatiale, les défis liés aux puces sont bien plus rudes que sur Terre : la charge de calcul doit franchir trois obstacles — les radiations, la dissipation thermique et la consommation électrique.
Les puces électroniques classiques reposent sur le stockage de charges et sur des transistors à base de silicium, tandis qu’en espace il y a une forte concentration de particules énergétiques provenant de l’univers.
Dès que des particules énergétiques touchent la puce, elles déclenchent des effets tels que le retournement par particule unique et le verrouillage par particule unique, ce qui conduit à des erreurs de calcul, voire à une défaillance des dispositifs.
Les puces de calcul optique contournent ainsi, à la base, cet obstacle.
Le calcul optique utilise des photons comme support pour transporter l’information de calcul : les photons ne portent pas de charge, ils sont naturellement exempts des perturbations directes causées par l’impact de particules énergétiques, et ne nécessitent pas de conception particulière de protection contre les radiations.
La dissipation thermique est le deuxième obstacle, et c’est aussi le plus délicat.
Lorsqu’elles fonctionnent, les puces électroniques classiques produisent inévitablement de la chaleur à cause de la transmission des électrons dans les fils et de l’ouverture/fermeture des transistors ; or, les tâches d’IA demandent énormément de transfert de données et de calcul, ce qui maintient la consommation et la chaleur des puces électroniques à des niveaux élevés.
L’espace est un environnement de vide : il n’y a pas de convection de l’air ; il n’existe que deux voies de dissipation thermique — la conduction thermique et le rayonnement thermique.
Les contraintes sévères en matière de dissipation thermique conduisent très facilement à une baisse de fréquence, voire à une défaillance des puces traditionnelles.
Le mode de fonctionnement des puces de calcul optique est totalement différent : la lumière se propage dans un guide d’ondes et réalise le calcul, un processus qui génère presque aucune chaleur.
Le troisième obstacle, c’est la consommation électrique.
Lorsqu’un satellite est en fonctionnement sur orbite, il dépend très fortement de l’alimentation fournie par ses panneaux solaires ; une fois entré dans la période d’ombre orbitale, il ne peut plus compter que sur ses batteries embarquées, d’où une disponibilité énergétique extrêmement limitée.
Plus la consommation énergétique des puces haute puissance de calcul est élevée, plus la surface des panneaux solaires nécessaires est grande, ce qui augmente ensuite le poids, le volume et le coût de lancement du satellite.
Les puces de calcul optique ont, en théorie, une consommation électrique statique qui tend vers zéro ; elles s’accordent naturellement avec les contraintes sévères liées à l’énergie des satellites, ce qui permet d’enjamber à moitié cet obstacle.
Les trois caractéristiques du calcul optique — résistance aux radiations, faible émission de chaleur et faible consommation — sont autant de « cartes maîtresses » qui, dans l’environnement spatial, aident directement le calcul spatial à franchir les obstacles techniques de la phase initiale.
En franchissant ces trois obstacles, dans les scénarios spatiaux, le calcul optique conserve encore un avantage systémique que le calcul électrique a du mal à atteindre —
À masse de charge équivalente, le calcul optique peut produire un volume total de puissance de calcul plus élevé.
Transférer les centres de données au sol vers l’espace : la contrainte centrale, c’est le poids et le volume de la charge.
L’ensemble de l’architecture des serveurs traditionnels est conçue pour une forme au sol ; en envoyant la puissance de calcul dans l’espace, il faut emporter des puces de calcul, du stockage, des CPU ainsi que des systèmes de dissipation thermique associés et des couches de blindage anti-rayonnements… Chaque composant occupe un espace précieux de charge utile, ce qui laisse très peu de place réellement disponible pour le calcul.
La stratégie proposée par Nvidia consiste à intégrer CPU et GPU dans un même ensemble, afin d’obtenir une puissance de calcul relativement impressionnante avec une taille et un poids minimes : le module Space-1 Vera Rubin prolonge précisément cette idée.
Mais le calcul optique peut aller plus loin.
Parce que les puces de calcul optique produisent en elles-mêmes peu de chaleur et consomment peu d’énergie, les structures de dissipation thermique et les systèmes énergétiques associés peuvent être rendus plus légers et plus compacts ; à charge utile de poids équivalente, le calcul optique peut accueillir davantage de puissance de calcul.
Ainsi, dans des conditions identiques d’alimentation énergétique et de dissipation thermique, le volume total de puissance de calcul réalisé par le calcul optique est supérieur à celui du calcul électrique.
△ Les trois principaux avantages du calcul optique dans les scénarios spatiaux (générés avec l’aide de l’IA)
De l’avis du vice-directeur de l’Institut de recherche sur l’unité photonique, Bu Huanan, ces avantages reposent sur une dynamique interne profonde.
Pendant longtemps, l’amélioration des performances des puces de calcul électrique a reposé sur la miniaturisation des procédés : sur une même surface, intégrer davantage de transistors, et augmenter la densité de calcul grâce à des liaisons plus fines.
Cependant, cette voie a des limites physiques : lorsque l’espacement entre la grille des transistors est réduit à un certain niveau, l’effet de tunnel quantique devient inévitable.
Les électrons traversent un seuil de potentiel en théorie impossible à franchir, provoquant ainsi des fuites et des erreurs de calcul : c’est un plafond que le calcul électrique ne peut pas contourner sur le plan physique.
Le calcul optique emprunte une voie totalement différente.
La fabrication des puces de calcul optique ne dépend pas de la chaîne de procédés avancés dominée par les machines de lithographie aux rayons ultraviolets extrêmes (EUV) ; des procédés existants de 45 nanomètres et au-delà, voire à l’échelle submicronique, suffisent pour fabriquer des puces de calcul optique.
L’amélioration de la puissance de calcul du calcul optique repose sur l’expansion de l’échelle du calcul optique, ainsi que sur une exploitation pleinement efficace des multiples dimensions de réutilisation des photons eux-mêmes, comme la longueur d’onde, la polarisation et les modes optiques.
Sur cette voie, la chaleur et la consommation électrique du calcul optique restent stables ; les coûts peuvent être contrôlés efficacement, et le plafond de puissance de calcul est encore loin d’être atteint.
Déblocage par la photonique : inférence embarquée de la Terre vers l’espace
Le photon est le vecteur central du calcul optique.
L’idée de base du calcul optique consiste à remplacer les électrons par des photons pour effectuer la partie la plus essentielle des calculs d’inférence d’IA, c’est-à-dire une grande quantité d’opérations de matrice.
L’avantage des puces de calcul optique réside dans le fait qu’une seule propagation d’un faisceau lumineux peut réaliser en même temps une grande quantité de ces opérations de multiplication ; la vitesse est très élevée et presque aucune chaleur n’est produite.
Cependant, si l’on regarde l’ensemble de l’industrie, la plupart des solutions de calcul optique, comparées au calcul électrique, accusent encore un certain écart par rapport à un déploiement véritablement massif, universel et stable.
Parmi les problèmes les plus marquants, il y en a deux :
D’une part, le stockage et le calcul restent séparés : lors de l’inférence d’IA, les paramètres du modèle doivent être déplacés fréquemment depuis un stockage externe vers les unités de calcul ; la bande passante de stockage devient alors le goulot d’étranglement de l’ensemble du système ;
d’autre part, il est difficile d’intégrer à grande échelle : en raison des contraintes physiques de la plateforme silicium-photonique sur la taille des puces, la déformation par gauchissement et la densité des interconnexions, il n’est pas facile d’étendre la puissance de calcul avec des solutions de calcul optique traditionnelles.
Ces deux barrières font que le calcul optique n’est pas encore aussi proche que le type de puces électriques d’une écologie de calcul mature, complète et prête à l’emploi.
△ Architecture de calcul photonique avec stockage et calcul dans le photon de la technologie à l’unité photonique
△ Système de calcul optique à base de verre à encapsulation multicouche de technologie à l’unité photonique
Mais du sol vers l’espace, selon Bu Huanan, « le calcul optique doit encore franchir un autre obstacle, de nature industrialisable ».
Pendant le lancement de la fusée, les vibrations sont extrêmement intenses ; par rapport aux puces purement électroniques, les structures optiques introduisent davantage d’encapsulations, et la stabilité structurelle des puces sous des vibrations de forte intensité doit faire face à des exigences supplémentaires.
Une fois en orbite, le système de calcul optique doit aussi finaliser la validation de niveau système de l’énergie, du contrôle thermique et des communications dans un environnement spatial réel.
Calcul optique couplé optique : la prochaine carte maîtresse de la puissance de calcul spatiale
Cette voie ressemble à la logique de Nvidia qui a évolué d’un simple GPU vers une solution à l’échelle d’un cluster, mais les trajectoires technologiques sous-jacentes sont radicalement différentes.
Si l’on considère l’ensemble de l’industrie du calcul embarqué dans l’espace, le développement actuel en est encore à un stade très précoce ; il reste encore un long chemin avant d’arriver à un déploiement commercial à grande échelle.
Validation technologique, intégration système, déploiement à grande échelle : à chaque étape, il reste encore de nombreux problèmes d’ingénierie à surmonter.
Les ressources énergétiques limitées des plateformes embarquées, le cycle d’itération des puces spatiales, et la mise en orbite à coût réduit : ce sont là autant de seuils que le calcul embarqué doit franchir pour passer des essais à la commercialisation.
Ce n’est que lorsque le coût global du calcul embarqué dans l’espace est inférieur à celui du calcul au sol, ou que la scène spatiale peut fournir des services à forte valeur que le sol ne peut pas remplacer, qu’il existe un véritable moteur pour la généralisation commerciale.
La filière du calcul spatial vient à peine de s’ouvrir : le choix de la voie technologique pour les puces et les systèmes déterminera le plafond de performance des futures constellations de calcul.
À l’approche des limites des procédés, le calcul électrique finit progressivement par atteindre le point de saturation ; la combinaison calcul optique en chaîne optique, ou « light compute », pourrait bien être une carte clé dans cette compétition pour contourner les contraintes physiques et s’imposer par la différenciation.
Article provenant de la page WeChat publique : « Quantum Information » ; l’auteur s’intéresse aux technologies de pointe. Titre original : (Réponse made in China pour la puissance de calcul spatiale : plus efficace avec les photons ! Elon Musk et le vieux Huang en font trop)