Redéfinir l'efficacité énergétique dans le traitement des données

Lorsque les technologies de l’information et de la communication (TIC) traitent des données, elles convertissent l’électricité en chaleur. L’empreinte carbone mondiale de l’écosystème TIC talonne d’ores et déjà celui de l’aviation. Il s’avère toutefois qu’une part considérable de l’énergie que consomment les processeurs d’ordinateurs n’est pas affectée à la réalisation de calculs. La majeure partie de l’énergie qui permet de traiter des données sert en effet à déplacer des octets entre la mémoire et le processeur.

Dans un article publié dans Nature Electronics, des chercheurs et chercheuses du Laboratory of Nanoscale Electronics and Structures (LANES) de la Faculté des sciences et techniques de l’ingénieur de l’EPFL présentent un nouveau processeur qui élimine cette source d’inefficacité en intégrant le traitement des données et le stockage sur un seul support, un processeur en mémoire. Ils et elles ont innové en concevant le premier processeur en mémoire basé sur un matériau semi-conducteur bidimensionnel comprenant plus de 1000 transistors, une étape clé sur le chemin qui mène à la production industrielle.

L’héritage de Von Neuman
D’après Andras Kis, responsable de l’étude, c’est l’architecture de Von Neumann, universellement plébiscitée, qui est à l’origine de l’inefficacité des processeurs actuels, plus précisément la séparation physique des composants qui effectuent les calculs et qui stockent des données. Du fait de celle-ci, les processeurs doivent récupérer des données dans la mémoire pour réaliser des calculs, impliquant des déplacements de charges électriques, de charges et de décharges de condensateurs et de la transmission de courants le long de lignes. Autant d’opérations qui dissipent de la chaleur.

Jusqu’à il y a environ 20 ans, cette architecture avait du sens, car différents types de dispositifs étaient nécessaires pour le stockage et le traitement des données. Des alternatives plus efficaces remettent néanmoins sans cesse en cause l’architecture de Von Neumann. «Des efforts visant à fusionner le stockage et le traitement dans des processeurs en mémoire universels qui contiennent des éléments fonctionnant aussi bien comme des mémoires que comme des transistors sont à l’œuvre actuellement», explique Andras Kis. Son laboratoire a étudié des approches permettant d’atteindre cet objectif à l’aide de bisulfure de molybdène (MoS₂), un matériau semi-conducteur.

Une nouvelle architecture de processeur bidimensionnelle
Dans l’article paru dans Nature Electronics, Guilherme Migliato Marega, assistant-doctorant au LANES, et ses coauteurs présentent un processeur en mémoire en MoS₂ dédié à l’une des opérations fondamentales du traitement de données, la multiplication d’un vecteur par une matrice. Cette opération est omniprésente dans le traitement de signaux numériques et dans la mise en œuvre de modèles d’intelligence artificielle. Des améliorations de son efficacité sont susceptibles d’occasionner d’importantes économies d’énergie dans tout le secteur des TIC.

Le processeur que l’équipe de chercheurs et chercheuses a mis au point réunit 1024 éléments sur une puce d’un centimètre carré. Chaque élément inclut un transistor bidimensionnel en MoS₂ et une grille flottante qui permet de stocker une charge en mémoire qui contrôle la conductivité de chaque transistor. Une telle association du traitement et de la mémoire modifie en profondeur la méthode de calcul du processeur. «En réglant la conductivité de chaque transistor, nous sommes en mesure de procéder à une multiplication analogique d’une matrice par un vecteur en une seule étape en appliquant des tensions à notre processeur et en mesurant la sortie», déclare Andras Kis.

Un pas de géant en direction d’applications pratiques
Le matériau choisi, le MoS₂, a joué un rôle crucial dans le développement du processeur en mémoire de l’équipe de scientifiques. Le MoS₂ est un semi-conducteur, un ingrédient indispensable du développement de tout transistor. Contrairement au silicium, le matériau le plus utilisé dans les semi-conducteurs des processeurs d’ordinateurs à l’heure actuelle, le MoS₂ forme une couche unique stable d’une épaisseur d’à peine trois atomes, qui n’interagit que faiblement avec son environnement. Sa finesse est propice à la production de dispositifs extrêmement compacts. Les spécialistes travaillant au LANES connaissent très bien ce matériau. En 2010, ils et elles ont en effet développé leur premier transistor en MoS₂ à l’aide d’une couche unique du matériau détachée d’un cristal à l’aide d’un ruban adhésif.

Au cours des treize dernières années, leurs processus ont considérablement mûri, notamment grâce aux efforts de Guilherme Migliato Marega. «La qualité du matériau que nous pouvons déposer a été déterminante: cela nous a permis de passer d’un transistor à plus de mille. Au terme d’une longue optimisation du procédé, nous sommes désormais capables de produire des galettes de silicium entières revêtues d’une couche homogène de MoS₂ uniforme, ce qui nous permet d’adopter des outils habituellement employés dans l’industrie pour concevoir des circuits intégrés sur un ordinateur et pour convertir ces conceptions en circuits physiques, le prérequis de la fabrication de masse», affirme Andras Kis.

Revitalisation de la fabrication européenne de puces
Au-delà de sa valeur purement scientifique, le scientifique considère que ce résultat démontre l’importance d’une collaboration scientifique étroite entre la Suisse et l’Union européenne, en particulier dans le contexte du règlement européen sur les semi-conducteurs, qui cherche à renforcer la compétitivité et la résilience du Vieux Continent dans les technologies et les applications des semi-conducteurs. «Le financement en provenance de l’Union européenne a été crucial pour ce projet et pour les projets antérieurs, y compris celui qui était consacré au premier transistor MoS₂, ce qui témoigne de son importance pour la Suisse», souligne-t-il.

«Le projet prouve également que l’Union européenne, qui tente de revitaliser la fabrication de produits électroniques, peut profiter de travaux entrepris en Suisse. Au lieu de participer à la même compétition face à tous les autres acteurs, l’Union européenne pourrait par exemple se concentrer sur le développement d’architectures de traitement qui ne reposent pas sur le principe de Von Neumann pour des accélérateurs d’IA et d’autres applications émergentes. En dessinant les contours de sa propre compétition, notre continent pourrait prendre une longueur d’avance et s’arroger une position de choix à l’avenir», conclut-il.