Des chercheurs de l’EPFL ont créé un processeur en mémoire économe en énergie utilisant MoS2, combinant plus de 1000 transistors. Ce processeur, qui effectue efficacement la multiplication vectorielle-matrice, représente un changement par rapport à l’architecture traditionnelle de von Neumann et pourrait stimuler l’industrie européenne des semi-conducteurs.
Développé par des chercheurs de l’EPFL, le premier processeur en mémoire à grande échelle utilisant des matériaux semi-conducteurs 2D pourrait réduire considérablement l’empreinte énergétique du secteur des TIC.
À mesure que les technologies de l’information et de la communication (TIC) traitent les données, elles convertissent l’électricité en chaleur. Aujourd’hui déjà, le CO de l’écosystème mondial des TIC2 L’empreinte carbone rivalise avec celle de l’aviation. Il s’avère cependant qu’une grande partie de l’énergie consommée par les processeurs informatiques n’est pas utilisée pour effectuer des calculs. Au lieu de cela, la majeure partie de l’énergie utilisée pour traiter les données est dépensée pour faire la navette entre la mémoire et le processeur.
Dans un article publié le 13 novembre dans la revue Électronique naturelle, des chercheurs de la Faculté d’ingénierie de l’EPFL au Laboratoire d’électronique et de structures à l’échelle nanométrique (LANES) présentent un nouveau processeur qui s’attaque à cette inefficacité en intégrant le traitement et le stockage des données sur un seul appareil, ce qu’on appelle un processeur en mémoire. Ils ont innové en créant le premier processeur en mémoire basé sur un matériau semi-conducteur bidimensionnel comprenant plus de 1 000 transistors, une étape clé sur la voie de la production industrielle.
Dans un article publié dans la revue Nature Electronics, des chercheurs de la Faculté d’ingénierie du Laboratoire d’électronique et de structures à l’échelle nanométrique (LANES) présentent un nouveau processeur qui s’attaque à cette inefficacité en intégrant le traitement et le stockage des données sur un seul appareil, appelé processeur en mémoire. Ils ont innové en créant le premier processeur en mémoire basé sur un matériau semi-conducteur bidimensionnel comprenant plus de 1 000 transistors, une étape clé sur la voie de la production industrielle. Crédit : 2023 EPFL / Alan Herzog
L’héritage de Von Neuman
Selon Andras Kis, qui a dirigé l’étude, le principal responsable de l’inefficacité des processeurs actuels est l’architecture von Neumann, universellement adoptée. Plus précisément, la séparation physique des composants utilisés pour effectuer des calculs et stocker des données. En raison de cette séparation, les processeurs doivent récupérer des données de la mémoire pour effectuer des calculs, ce qui implique le déplacement de charges électriques, la charge et la décharge de condensateurs et la transmission de courants le long de lignes, qui dissipent toutes de l’énergie.
Jusqu’il y a une vingtaine d’années, cette architecture avait du sens, car différents types d’appareils étaient nécessaires pour le stockage et le traitement des données. Mais l’architecture de von Neumann est de plus en plus remise en question par des alternatives plus efficaces. « Aujourd’hui, des efforts sont déployés pour fusionner le stockage et le traitement dans des processeurs en mémoire plus universels contenant des éléments fonctionnant à la fois comme mémoire et comme transistor », explique Kis. Son laboratoire a exploré les moyens d’atteindre cet objectif en utilisant le bisulfure de molybdène (MoS2), un matériau semi-conducteur.
Une nouvelle architecture de processeur bidimensionnelle
Dans leurs Électronique naturelle article, Guilherme Migliato Marega, assistant doctorant au LANES, et ses co-auteurs présentent un MoS2-processeur en mémoire dédié à l’une des opérations fondamentales du traitement des données : la multiplication vectorielle-matrice. Cette opération est omniprésente dans le traitement du signal numérique et la mise en œuvre de modèles d’intelligence artificielle. Des améliorations de son efficacité pourraient générer des économies d’énergie substantielles dans l’ensemble du secteur des TIC.
Leur processeur combine 1024 éléments sur une puce d’un centimètre par centimètre. Chaque élément comprend un MoS 2D2 transistor ainsi qu’une grille flottante, utilisée pour stocker une charge dans sa mémoire qui contrôle la conductivité de chaque transistor. Ce couplage traitement-mémoire modifie fondamentalement la façon dont le processeur effectue le calcul. « En définissant la conductivité de chaque transistor, nous pouvons effectuer une multiplication analogique de matrice vectorielle en une seule étape en appliquant des tensions à notre processeur et en mesurant la sortie », explique Kis.
Un grand pas de plus vers des applications pratiques
Le choix du matériau – MoS2 – a joué un rôle essentiel dans le développement de leur processeur en mémoire. D’une part, MoS2 est un semi-conducteur – une condition nécessaire au développement des transistors. Contrairement au silicium, le semi-conducteur le plus utilisé dans les processeurs informatiques actuels, le MoS2 forme une monocouche stable, d’une épaisseur de seulement trois atomes, qui n’interagit que faiblement avec son environnement. Sa finesse offre la possibilité de produire des appareils extrêmement compacts. Enfin, c’est un matériau que le laboratoire de Kis connaît bien. En 2010, ils créent leur premier single MoS2 transistor utilisant une monocouche du matériau décollé d’un cristal à l’aide de ruban adhésif.
Au cours des 13 dernières années, leurs processus ont considérablement mûri, les contributions de Migliato Marega jouant un rôle clé. « La principale avancée pour passer d’un seul transistor à plus de 1 000 transistors a été la qualité du matériau que nous pouvons déposer. Après de nombreuses optimisations de processus, nous pouvons désormais produire des tranches entières recouvertes d’une couche homogène de MoS uniforme.2. Cela nous permet d’adopter des outils standard de l’industrie pour concevoir des circuits intégrés sur un ordinateur et de traduire ces conceptions en circuits physiques, ouvrant ainsi la porte à une production de masse », explique Kis.
Revitaliser la fabrication européenne de puces
Outre sa valeur purement scientifique, Kis considère ce résultat comme une preuve de l’importance d’une collaboration scientifique étroite entre la Suisse et l’UE, en particulier dans le contexte de la loi européenne sur les puces, qui vise à renforcer la compétitivité et la résilience de l’Europe dans les technologies des semi-conducteurs et applications. «Le financement de l’UE a été crucial tant pour ce projet que pour ceux qui l’ont précédé, y compris celui qui a financé les travaux sur le premier transistor MoS2, démontrant à quel point ce projet est important pour la Suisse», explique Kis.
«En même temps, cela montre comment les travaux menés en Suisse peuvent profiter à l’UE qui cherche à revigorer la fabrication électronique. Plutôt que de se lancer dans la même course que tout le monde, l’UE pourrait, par exemple, se concentrer sur le développement d’architectures de traitement non von Neumann pour les accélérateurs d’IA et d’autres applications émergentes. En définissant sa propre race, le continent pourrait prendre une longueur d’avance pour s’assurer une position forte à l’avenir », conclut-il.
