Pour booster les calculs, la puce N3XT mise sur l’empilement

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L’architecture N3XT à base de transistors en nanotubes de carbone ferait sauter les limites de calcul des composants en silicium actuels.

Des performances électroniques multipliées par 1000 avec la prochaine génération de plate-forme informatique. C’est ainsi que les chercheurs de l’université de Stanford, Subhasish Mitra et H.-S. Philip Wong, ont présenté leurs travaux, réalisés en collaboration avec d’autres universités, à travers un articule publié dans l’édition spéciale Rebooting Computing du journal IEEE Computer.

Pour atteindre un tel gain de performances par rapport à l’existant, les deux scientifiques entendent repenser l’architecture des plates-formes informatiques. Ils proposent d’adopter un modèle « vertical », pour empiler processeurs et puces mémoire en couches dans un seul composant électronique, par opposition au modèle « horizontal » actuels où les processeurs sont reliés aux modules mémoire par des « circuits » à l’origine des goulets d’étranglement de l’échange des données qui font perdre temps et énergie aux plates-formes informatiques actuelles.

Briser les goulots d’étranglement

Schéma de l'architecture N3XT d'empilement des composants électroniques reliés entre eux par des transistors en nanotubes de carbone (Stanford University).
Schéma de l’architecture N3XT d’empilement des composants électroniques reliés entre eux par des transistors en nanotubes de carbone (Stanford University).

Une approche « empilée » aujourd’hui proposée avec la technologie 3-D où les composants électroniques de silicium sont produits séparément et assemblés à l’aide de milliers de liens. Si la longueur des liens est raccourcie, les puces 3-D restent dépendantes des embouteillages des données à cause du faible nombre de canaux de liaison déployables entre les composants (quelques milliers).

Avec Nano-Engineered Computing Systems Technology (N3XT), les chercheurs entendent lever ces limites de circulation des données. « N3XT va briser les goulots d’étranglement des données en intégrant des processeurs et de la mémoire comme les planchers dans un gratte-ciel et en connectant ces composants avec des millions de ‘vias’, qui jouent le rôle de minuscules ascenseurs électroniques, résume un article de présentation publié sur le site de Stanford. L’approche verticale de N3XT va transférer davantage de données, beaucoup plus rapidement, en utilisant beaucoup moins d’énergie, que ce qui serait possible en utilisant des circuits horizontaux. » Une amélioration qui serait de l’ordre d’un facteur 1000, assure H.-S. Philip Wong.

Les nanotubes pour le stockage

Problème : ces design ne sont pas réalisables en silicium, le matériau de base qui compose la structure des transistors des puces électroniques, à cause des hautes températures (proche des 1000° C) nécessaire à leur fabrication. Pour palier à ce problème, les chercheurs se tournent vers les nano-matériaux, des transistors en nanotubes de carbone en l’occurrence, dont la fabrication nécessite moins de chaleur. Ce qui permettra d’empiler les composants les uns sur les autres sans risquer de les endommager. « Dans l’architecture N3XT, [les transistors en nanotubes de carbones] peuvent être fabriqués et placés au-dessus et au-dessous des couches mémoire », confirme l’article. Ils intègrent même leur propre système de refroidissement.

Les chercheurs envisagent également d’exploiter les nano-matériaux avec des technologies de stockage, notamment la RRAM (resistive random-access memory). Un prototype de module N3XT composé de deux couches de RRAM reliées par deux couches de transistors en nanotubes de carbones avait été montré il y a un an à l’International Electron Devices Meeting. Aujourd’hui, les chercheurs travaillent sur des simulateurs pour montrer la pertinence de la nouvelle architecture associant calculateurs et mémoire de stockage.

Pour lutter contre les problèmes pressants

« Il y a d’énormes volumes de données qui siègent à notre portée et qui sont pertinents à certains des problèmes les plus pressants de la société, de la santé au changement climatique, mais nous manquons de puissance de calcul pour mettre ces données en lumière et les utiliser, souligne le chercheur Chris Ré qui participe également au projet. Comme nous l’espérons tous avec le projet N3XT, nous pourrions parvenir à booster cette puissance de calcul pour résoudre certains de ces défis pressants. » Mais le changement d’architecture informatique demandera d’énormes investissements du côté des industriels. Il restera à vérifier s’ils sont prêts à changer de modèle à l’heure où la loi de Moore est sans cesse repoussée dans ses derniers retranchements. N3XT pourrait néanmoins constituer le trait d’union entre l’informatique telle qu’on la connaît aujourd’hui et l’informatique quantique espérée dans un avenir plus ou moins proche.


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