Premier semi-conducteur 2D avec 1000 transistors conçu à l’EPFL en Suisse

L’empreinte carbone de l’écosystème mondial des technologies de l’information et de la communication (TIC) est déjà comparable à celle de l’aviation. Une grande partie de l’énergie consommée par les processeurs informatiques ne sert pas à effectuer des calculs, mais à transférer des données entre la mémoire et le processeur.

Une équipe de chercheurs de l’École d’ingénierie de l’EPFL, au sein du Laboratoire d’électronique et de structures à l’échelle nanométrique (LANES), propose une solution à cette inefficacité.

Un nouveau processeur pour une efficacité accrue

Les chercheurs ont présenté un nouveau processeur qui intègre le traitement et le stockage des données sur un seul appareil, un processeur dit «in-memory». Ils ont créé le premier processeur en mémoire basé sur un matériau semi-conducteur bidimensionnel comprenant plus de 1000 transistors, une étape clé vers la production industrielle.

L’héritage de Von Neuman

Andras Kis, qui a dirigé l’étude, pointe du doigt l’architecture de Von Neuman, largement adoptée aujourd’hui, comme étant la principale responsable de l’inefficacité des processeurs actuels. Cette architecture sépare physiquement les composants utilisés pour effectuer les calculs et ceux utilisés pour stocker les données.

Cette séparation nécessite de récupérer les données de la mémoire pour effectuer les calculs, ce qui implique de déplacer des charges électriques, de charger et de décharger des condensateurs, et de transmettre des courants le long des lignes, ce qui dissipe de l’énergie.

Vers une architecture de processeur bidimensionnelle

Dans leur article publié dans Nature Electronics, Guilherme Migliato Marega, assistant doctorant au LANES, et ses co-auteurs présentent un processeur «in-memory» basé sur le MoS2 dédié à l’une des opérations fondamentales du traitement des données : la multiplication de vecteurs-matrices.

Cette opération est omniprésente dans le traitement des signaux numériques et la mise en œuvre des modèles d’intelligence artificielle. Des améliorations de son efficacité pourraient entraîner des économies d’énergie substantielles dans l’ensemble du secteur des TIC.

Un pas de géant vers des applications pratiques

Le choix du matériau – le MoS2 – a joué un rôle vital dans le développement de leur processeur «in-memory». Contrairement au silicium, le semi-conducteur le plus largement utilisé dans les processeurs informatiques d’aujourd’hui, le MoS2 forme une monocouche stable, juste trois atomes d’épaisseur, qui n’interagit que faiblement avec son environnement. Sa minceur offre la possibilité de produire des dispositifs extrêmement compacts.

Revitaliser la fabrication de puces en Europe

Au-delà de sa valeur purement scientifique, Andras Kis voit ce résultat comme un témoignage de l’importance de la collaboration scientifique étroite entre la Suisse et l’UE, en particulier dans le contexte de l’European Chips Act, qui vise à renforcer la compétitivité et la résilience de l’Europe dans les technologies et applications des semi-conducteurs.

En synthèse

Les chercheurs de l’EPFL ont développé un nouveau processeur qui intègre le traitement et le stockage des données sur un seul appareil, ce qui pourrait réduire considérablement l’empreinte carbone de l’écosystème mondial des TIC. Ce processeur «in-memory», basé sur un matériau semi-conducteur bidimensionnel, pourrait marquer une étape clé vers une production industrielle plus efficace et plus respectueuse de l’environnement.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce qu’un processeur in-memory ?

Un processeur «in-memory» est un type de processeur qui intègre le traitement et le stockage des données sur un seul appareil. Cela permet de réduire l’énergie consommée pour transférer des données entre la mémoire et le processeur, ce qui est une source majeure d’inefficacité dans les processeurs traditionnels.

Qu’est-ce que l’architecture de Von Neuman ?

L’architecture de Von Neuman est une architecture informatique qui sépare physiquement les composants utilisés pour effectuer les calculs et ceux utilisés pour stocker les données. Cette séparation nécessite de récupérer les données de la mémoire pour effectuer les calculs, ce qui implique de déplacer des charges électriques, de charger et de décharger des condensateurs, et de transmettre des courants le long des lignes, ce qui dissipe de l’énergie.

Qu’est-ce que le MoS2 et pourquoi est-il important dans ce contexte ?

Le MoS2, ou disulfure de molybdène, est un matériau semi-conducteur bidimensionnel. Contrairement au silicium, le semi-conducteur le plus largement utilisé dans les processeurs informatiques d’aujourd’hui, le MoS2 forme une monocouche stable, juste trois atomes d’épaisseur, qui n’interagit que faiblement avec son environnement. Sa minceur offre la possibilité de produire des dispositifs extrêmement compacts.

Qu’est-ce que la multiplication de vecteurs-matrices et pourquoi est-elle importante ?

La multiplication de vecteurs-matrices est une opération fondamentale du traitement des données. Elle est omniprésente dans le traitement des signaux numériques et la mise en œuvre des modèles d’intelligence artificielle. Des améliorations de son efficacité pourraient entraîner des économies d’énergie substantielles dans l’ensemble du secteur des TIC.

Qu’est-ce que l’European Chips Act et pourquoi est-il mentionné ici ?

L’European Chips Act est une initiative qui vise à renforcer la compétitivité et la résilience de l’Europe dans les technologies et applications des semi-conducteurs. Le développement du processeur «in-memory» basé sur le MoS2 pourrait contribuer à revitaliser la fabrication de puces en Europe, en renforçant la compétitivité et la résilience de l’UE dans les technologies et applications des semi-conducteurs.

Principaux enseignements

Références

Article publié dans la revue Nature Electronics par des chercheurs de l’École d’ingénierie de l’EPFL, au sein du Laboratoire d’électronique et de structures à l’échelle nanométrique (LANES).