Une nouvelle technologie devrait permettre de multiplier par 10 la puissance des micro-ordinateurs. Développés à l'EPFL en collaboration avec l'EPFZ et IBM, les premiers processeurs tridimensionnels devraient faire leur entrée sur le marché en 2015. Pour la version munie d'un système de refroidissement interne, il faudra tout de même patienter jusqu'en 2020.

Le monde de l'informatique continue sa course à la puissance. CMOSAIC** devrait permettre de multiplier par 10 les capacités de calcul des processeurs centraux, pour une énergie moindre. Le laboratoire de recherche d'IBM s'est joint à l'EPFL et à l'EPFZ dans ce projet d'envergure nationale, sponsorisé par le Fonds national via son programme Nano-Tera.ch.

Des microchips tridimensionnels, refroidis de l'intérieur par des canaux aussi ténus qu'un cheveu et remplis de liquide réfrigérant. Telle est la solution que développent actuellement des chercheurs de l'EPFL et de l'EPFZ pour assurer la future montée en puissance des ordinateurs.

Le projet CMOSAIC, dirigé à Lausanne par John R. Thome, vise à développer des processeurs 10 fois plus puissants, avec autant de transistors au centimètre cube que de neurones dans un même volume de cerveau. Une densité encore jamais atteinte. IBM vient de signer un partenariat pour se joindre à l'aventure. Son laboratoire zurichois travaillera aux côtés des chercheurs des écoles polytechniques.

Il y a quelques années, nos ordinateurs ne disposaient que d'un seul coeur, qu'il fallait doper pour assurer la montée en puissance. Pour le coup, les machines faisaient office de véritables chauffages centraux. Or passé les 85° C, les composants électroniques deviennent instables. Comment contourner cette limite physique ? La parade était trouvée avec la technologie des cœurs multiples: une même puce abrite plusieurs processeurs, qui se partagent les tâches. Aujourd'hui, la plupart des ordinateurs grand public arborent fièrement les étiquettes « dual core » ou « quad core ». Mais à terme, cette solution est elle aussi condamnée à buter face aux mêmes limites physiques.

Le processeur tridimensionnel reprend l'idée des cœurs multiples. Mais ces derniers sont empilés les uns sur les autres, plutôt que disposés côte à côte comme pour les processeurs actuels. L'avantage : on dispose dans ce cas de toute la surface du cœur pour le relier à son voisin. De 100 à 10'000 connexions au millimètre carré. Plus courtes et nombreuses, ces minuscules liaisons devraient assurer une circulation 10 fois plus rapide des données. Consommation d'énergie et chaleur devraient être réduites d'autant.

Un enjeu écologique

L'enjeu de la technologie est clair en termes de puissance. Mais il l'est également du point de vue environnemental. « Aux Etats-Unis, les centres de données de l'industrie consomment déjà 2% de l'électricité disponible » explique John R. Thome.« La consommation double tous les cinq ans. A ce rythme, les supercalculateurs de 2100 devraient en théorie utiliser toute l'énergie électrique des USA ! »

Si le processeur tridimensionnel utilisera moins d'énergie et dissipera moins de chaleur, il n'en sera pas froid pour autant. C'est pourquoi l'équipe de John R. Thome est chargée de développer un système réfrigérant révolutionnaire. Entre chaque cœur, des canaux d'un diamètre de 50 microns sont pris en sandwich. A l'intérieur circule un fluide réfrigérant. Il sort du circuit sous forme de vapeur, puis est ramené à l'état liquide par un condenseur et pompé à nouveau dans le processeur. Dès l'année prochaine, un prototype de ce système de refroidissement sera réalisé et testé en conditions réelles – mais sans processeur.

Il faudra patienter encore quelques années avant de voir des microchips tridimensionnels dans les ordinateurs grand public. Les premiers exemplaires devraient équiper des supercalculateurs à l'horizon 2015. Quant à la version munie d'un système de refroidissement, elle devrait être industrialisée vers 2020.


** CMOSAIC est pour la plus grande part financé par le Fonds national de la recherche, via le programme Nano-Tera.ch visant à développer les technologies de l'information. Six laboratoires, à l'EPFL, à l'EPFZ et chez IBM participent également au financement et développent chacun un aspect du projet, coordonné par John R. Thome.