«Il faut abandonner l'idée des circuits parfaits»

Directeur du Laboratoire de circuits intégrés (ICLAB), Christian Enz explique pourquoi nous devrions construire les dispositifs futurs avec des circuits imparfaits, et adopter la notion de «good enough engineering». En plus de permettre une réduction substantielle de la consommation d'énergie, ce concept devrait permettre de continuer la course à la miniaturisation, actuellement compromise: de plus en plus miniaturisés, les transistors qui constituent les circuits intégrés produisent en effet de plus en plus d'erreurs. Il devient ainsi nécessaire d'ajouter des éléments de corrections, ce qui annule les bénéfices de la miniaturisation et fait augmenter la consommation d'énergie. En se concentrant sur les circuits inexacts qui tolèrent des erreurs, il est possible de réduire la surface de silicium des circuits, et ainsi gagner en consommation et en coût. Reste encore à convaincre les industriels d'abandonner le concept de «circuits parfaits», auquel ils sont très attachés.

Comment se fait-il que les puces «inexactes» puissent fonctionner aussi bien que si elles étaient parfaites?

En réalité, les circuits sont capables de tolérer une part statistique d'erreurs, avec un impact négligeable sur le résultat final. Bien sûr, cette approche ne convient pas pour toutes applications, mais elle peut être exploitée pour des tâches liées à la perception tels que l'audio et la vidéo. La dégradation de la qualité de l'image sur un téléphone portable due aux circuits imparfaits, par exemple, n'est presque pas perceptible. Le processus de vision chez l'humain est extrêmement robuste : il corrige automatiquement les petits défauts.

Comment procédez-vous pour créer un circuit «inexact» ?
Le plus important est de pouvoir repérer l'endroit où un disfonctionnement peut être toléré. Nous recherchons d'abord sur un circuit les dispositifs qui ne sont pas très sollicités. Par exemple, si la fonction de calcul des décimales est peu active sur un bloc de circuit dont la tâche est d'effectuer des additions, nous pouvons essayer de l'enlever. Cela provoque des erreurs, mais dans une mesure parfaitement acceptable. Cette technique est appelée inexact arithmetics, ou d'une façon plus générale, le good enough engineering.

Quel est l'avantage de ce nouveau genre de circuits?
Ils permettent de réduire la consommation d'énergie de manière substantielle. C'est d'ailleurs l'aspect qui nous a intéressés dans un premier temps. Nous avions remarqué qu'en remplaçant un circuit exact par un circuit approximatif, nous pouvions élaborer des puces qui consomment deux fois moins d'énergie, sont deux fois plus rapides et deux fois plus petites.
Par la suite, nous avons eu l'idée d'exploiter la robustesse de nos circuits imparfaits pour contrecarrer les imperfections inhérentes aux technologies avancées. En d'autres termes, nous avons utilisé ces circuits non seulement pour réduire la consommation d'énergie, mais aussi pour contourner les limites de la miniaturisation que connaissent les circuits infaillibles.

Pourquoi les circuits parfaits ne peuvent-ils plus être miniaturisés ?
Durant les quarante dernières années, il a été possible de doubler le nombre de transistors présents sur une puce de silicium tous les deux ans, comme le prédisait la loi empirique de Moore, édictée en 1965. Grâce à ces progrès, les ordinateurs, tablettes et smartphones sont devenus très puissants, peu gourmands en énergie et de plus en plus petits. Or à l'heure actuelle, les transistors sont d'une taille inférieure à 20 nanomètres (millionième de millimètre), et les circuits sont si denses qu'il n'est plus possible d'assurer une fonctionnalité sans faute, en raison de la plus grande variabilité de la technologie. Si l'on veut maintenir un fonctionnement parfait, il est donc nécessaire de rajouter des circuits de correction d'erreurs et/ou d'augmenter les marges de sécurité. Ces mesures font perdre les avantages de la diminution des dimensions des transistors, et la consommation d'énergie ne peut plus être réduite. Elle pourrait même augmenter. Les limites de la miniaturisation commencent à se faire sentir, mais nos circuits imparfaits constituent une alternative intéressante à cette impasse.

Est-il facile de faire passer l'idée de «good enough engineering» dans la société actuelle?
Pas vraiment. Pour un designer, il est inacceptable de supprimer certaines parties d'un circuit et d'introduire des erreurs intentionnellement. L'approche actuelle préconise en effet que le circuit synthétisé corresponde exactement au circuit désiré. Cette nouvelle façon de faire constitue donc un changement de paradigme, qu'il est difficile à faire valoir dans une société où seule la technologie la plus parfaite est valorisée. Certaines entreprises, telles qu'Intel, ont toutefois montré un grand intérêt pour ce concept, car elles constatent n'y a plus vraiment d'alternative. Différents groupes de recherches dans le monde planchent d'ailleurs également sur cette question.

Christian Enz et son équipe travaillent sur les circuits inexacts dans le cadre d'un projet FNS intitulé «IneSoC». Plus précisément, il s'agit de poursuivre les recherches initialement menées au Centre Suisse d'Electronique et de Microtechnique (CSEM), dans le cadre d'un projet international mené en collaboration avec l'Université Rice (Houston, TX), et l'Université Nanyang Technology (Singapore).

A noter que des recherches sur les puces défaillantes sont également effectuées au sein de l'EPFL par le professeur Andreas Burg. Mais l'approche est quelque peu différente. Le scientifique n'essaie pas d'introduire des erreurs dans les circuits de manière volontaire : il étudie la façon dont on pourrait «faire avec» les erreurs qui sont déjà présentes dans les circuits, dans le cadre de la communication wireless.