L'informatique non conventionnelle (ou informatique alternative ou informatique non standard) est une branche de recherche émergente, basée sur le calcul non conventionnel, qui explore des façons de calculer différentes de celles des ordinateurs classiques. Pour traiter l'information, elle utilise des phénomènes physiques, chimiques ou biologiques, comme la lumière, les molécules ou des neurones artificiels. Son but est de dépasser les limites imposées aux ordinateurs traditionnels par l'architecture de von Neumann (qui est le modèle où la mémoire et le processeur partagent le même espace, ce qui crée un goulot d'étranglement dans la circulation des données) et la logique binaire (qui repose sur deux états (0 et 1) généralement utilisés pour représenter et traiter informatiquement l'information, ce qui limite la diversité des calculs possibles par rapport à des logiques plus riches comme le ternaire ou le quantique). Parmi ces approches non conventionnelles figurent, par exemple, le calcul quantique, l'informatique neuromorphique (qui imite le cerveau), ou encore le calcul sur l'ADN. Ces méthodes pourraient dans le futur permettre des calculs plus rapides et plus économes en énergie, notamment requis par l'Intelligence artificielle.
Histoire et contexte Le terme calcul non conventionnel, inventé par Cristian S. Calude et John Casti, a été utilisé lors de la première conférence internationale sur les modèles non conventionnels de calcul., en 1998..
Ses premiers exemples incluent les calculateurs mécaniques et analogiques, utilisés avant l'avènement des ordinateurs électroniques modernes. Dès les années 1950‑1960, ces approches ont été progressivement remplacées par l'informatique numérique, mais elles ont continué à inspirer des recherches alternatives. À partir des années 1980‑1990, de nouvelles pistes se sont développées, comme le calcul quantique, l'informatique neuromorphique et le stockage de données numériques sur ADN qui débouche sur un possible ordinateur à ADN. Aujourd'hui, l'informatique non conventionnelle est un domaine interdisciplinaire, qui explore des méthodes innovantes pour dépasser les limites des architectures classiques et permettre une intelligence artificielle sobre en ressources (électricité, eau, matériaux stratégiques ou rares...).
La théorie générale du calcul informatique ou algorithmique permet une grande variété de méthodes de calcul. C'est une branche de la recherche qui cherche à répondre aux limites des architectures classiques de type von Neumann et de la machine de Turing, et aux besoins de l'intelligence artificielle, en particulier à ses besoins exponentiellement croissants en puissance de calcul (FLOPS) et autres ressources. Pour cela, l'informatique non conventionnelle explore des modèles alternatifs fondés sur des phénomènes physiques, chimiques ou biologiques inhabituels, tels que le calcul quantique, l'informatique neuromorphique ou l'ordinateur à ADN..., pour notamment proposer des solutions plus sobres, efficaces et adaptées aux nouveaux défis.
La course technologique aux capacités massives de calcul numérique nécessaires à l'IA semble conduire à des impasses technologiques, économiques et environnementales. En particulier, l'apprentissage profond exige des ressources considérables en énergie, en datacenters et en matériel. Ce constat stimule la recherche d'alternatives telles que le calcul neuromorphique (inspiré du cerveau) et, depuis plusieurs décennies, l'exploitation directe de phénomènes physiques non linéaires sous les appellations de « calcul non conventionnel », « calcul naturel », « calcul physique » ou « in‑materio computing ». ;
Modèles alternatifs de calcul Un « modèle de calcul » décrit comment la sortie d'une fonction mathématique est calculée à partir de ses « entrées ». Il décrit l'organisation des unités (de calcul, de mémoire et de communication) Savage, John E. (1998). Models Of Computation: Exploring the Power of Computing. Addison-Wesley. .. La complexité algorithmique d'un algorithme de calcul peut être mesurée à partir d'un modèle de calcul, et l'utilisation d'un modèle permet d'étudier les performances des algorithmes indépendamment des variations propres à certaines implémentations et technologies.
Une grande variété de modèles sont couramment utilisés ; certains ressemblent fortement au fonctionnement des ordinateurs conventionnels (idéalisés), tandis que d'autres s'en éloignent. Parmi les modèles couramment utilisés, on trouve la Machine à registres illimités, la machines à accès aléatoire, la Machine de Turing, le lambda-calcul, les systèmes de réécriture, les circuits numériques, les automates cellulaires et les réseaux de Petri, qui permettent chacun, des modes non conventionnels de calculs :
Calcul mécanique vignette|Hamann Manus R, calculatrice mécanique numérique. Historiquement, les ordinateurs mécaniques (à cartes perforées) ont été utilisés dans l'industrie avant l'avènement du transistor.
Les calculateurs mécaniques gardent aujourd'hui un intérêt, à la fois pour la recherche et comme outils analogiques. Certains, comme le calculateur à billes de billard, présentent une valeur théorique ou pédagogique (par exemple pour montrer de façon théorique comment fonctionne un calcul), tandis que d'autres, de type hydraulique tels que le MONIAC ou l'intégrateur à eau, ont trouvé des applications pratiques efficaces Penrose Roger (1990) The Emperor's New Mind. Oxford University Press..
Informatique analogique Un ordinateur analogique utilise des signaux analogiques, c'est-à-dire des grandeurs physiques continues, pour modéliser et résoudre des problèmes. Ces signaux peuvent être de nature électrique, mécanique ou hydraulique. Les ordinateurs analogiques ont été largement utilisés dans les applications scientifiques et industrielles ; ils étaient souvent plus rapides que les ordinateurs numériques de l'époque mais sont devenus obsolètes dans les années 1950-1960 bien qu'encore utilisés dans quelques applications spécifiques (simulateurs de vol, systèmes de contrôle pédagogiques dans les universités...).. Parmi les exemples d'appareils de calcul analogiques, on peut citer les règles à calcul, les nomogrammes et les mécanismes complexes de contrôle de processus et de relais de protection.. Le mécanisme d'Anticythère, un dispositif mécanique qui calcule les positions des planètes et de la Lune, et le planimètre, un intégrateur mécanique permettant de calculer l'aire d'une forme 2D quelconque, sont également des exemples de calcul analogique.
Ordinateurs numériques électroniques Les ordinateurs modernes sont généralement électroniques et dotés d'une architecture de type Von Neumann basée sur l'électronique numérique, avec une intégration poussée rendue possible par l'invention du transistor et la mise à l'échelle de la loi de Moore.
Le calcul non conventionnel est, selon le site web du Centre d'études non linéaires (2007) « un domaine de recherche interdisciplinaire dont l'objectif principal est d'enrichir ou de dépasser les modèles standards, tels que l' architecture de l'ordinateur de Von Neumann et la machine de Turing, qui ont dominé l'informatique pendant plus d'un demi-siècle ». Ces méthodes modélisent leurs opérations de calcul à partir de paradigmes non standards et sont actuellement pour la plupart au stade de la recherche et du développement.
Ce comportement informatique peut être « simulé » en utilisant des microtransistors classiques à base de silicium ou des technologies informatiques à semi-conducteurs.
Approches génériques Quelques exemples, contre-intuitifs et pédagogiques, montrent qu'un ordinateur peut être fabriqué à partir de presque n'importe quoi :
Objets physiques vignette|Une porte OU construite à partir de dominos Un ordinateur à billes de billard est un type d'ordinateur mécanique qui utilise le mouvement de billes de billard sphériques pour effectuer des calculs. Dans ce modèle, les fils d'un circuit booléen sont représentés par les trajectoires des billes ; la présence ou l'absence d'une bille sur une trajectoire code le signal sur ce fil, et les portes logiques sont simulées par les collisions des billes aux points d'intersection de leurs trajectoires.
Un « ordinateur à dominos » est un ordinateur mécanique qui utilise des dominos disposés verticalement pour représenter l'amplification ou le traitement logique de signaux numériques. Ces constructions peuvent servir à illustrer des concepts numériques et même à construire des modules de traitement de l'information simples...
Calcul par réservoir Le calcul par réservoir est un cadre de calcul issu de la théorie des réseaux de neurones récurrents. Il consiste à projeter des signaux d'entrée dans des espaces de calcul de dimension supérieure grâce à la dynamique d'un système non linéaire fixe appelé réservoir. Ce réservoir, virtuel ou physique, est constitué d'unités non linéaires individuelles interconnectées par des boucles récurrentes, ce qui lui permet de stocker des informations. L'apprentissage n'est effectué qu'à la phase de lecture, la dynamique du réservoir étant fixe. Ce cadre permet l'utilisation de systèmes naturels, classiques et quantiques, afin de réduire le coût de calcul effectif. Le calcul par réservoir a pour intérêt la simplicité et la rapidité de son algorithme d'apprentissage, ainsi que dans sa possibilité d'implémentation matérielle via des réservoirs physiques...
Informatique tangible vignette|SandScape, un dispositif informatique tangible installé au Musée de la créativité des enfants de San Francisco. L'informatique tangible utilise des objets physiques comme interfaces avec des utilisateurs. Ces « interfaces utilisateur » tangibles (ou TUI pour Tangible user interfaces) donnent une forme physique à l'information numérique, permettant de la manipuler directement via des objets matériels. Cette approche exploite la propension humaine à saisir et manipuler des objets physiques pour faciliter la collaboration, l'apprentissage et la conception (design). Les caractéristiques de ces interfaces tangibles incluent le couplage de représentations physiques aux informations numériques sous-jacentes et l'intégration de mécanismes de contrôle interactif.... Cinq propriétés définissent les interfaces utilisateur tangibles : la capacité de multiplexer les entrées et les sorties dans l'espace, l'accès et la manipulation simultanés des composants de l'interface, des dispositifs spécifiques performants, des dispositifs informatiques prenant en compte l'espace et la reconfiguration spatiale des dispositifs..
Calcul humain Le terme « calculateur humain » désigne les individus qui effectuent des calculs mathématiques manuellement, souvent en équipe et selon des règles établies. Autrefois, des équipes étaient employées pour réaliser des calculs longs et fastidieux, et le travail était divisé pour être effectué en parallèle. Cette expression désigne aussi des individus dotés de capacités exceptionnelles en calcul mental, aussi appelés calculateurs mentaux « computer ». Oxford English Dictionary (Third ed.). Oxford University Press. March 2008. 1613 'R. B.' Yong Mans Gleanings 1, I have read the truest computer of Times, and the best Arithmetician that ever breathed, and he reduceth thy dayes into a short number..
Interaction humain-robot vignette|Interaction humain-robot. L'interaction humain-robot (IHR) étudie les interactions entre les humains et les robots. Elle fait appel à des domaines tels que l'intelligence artificielle, la robotique et la psychologie. Les cobots, ou robots collaboratifs, sont conçus pour interagir directement avec les humains dans des espaces partagés et peuvent être utilisés pour diverses tâches, notamment la fourniture d'informations, la logistique et les tâches non ergonomiques en milieu industriel..
Informatique en essaim