Construire des plateformes informatiques économes en énergie

La croissance massive des centres de données qui consomment d’énormes quantités d’énergie a contribué de manière significative aux pénuries d’électricité dans le monde. Avec la demande croissante d’ordinateurs et d’appareils plus rapides et plus intelligents, il est urgent de développer des alternatives aux composants électroniques traditionnels qui rendront ces appareils plus économes en énergie.

Dans deux études récentes, des chercheurs du Center for Nano Science and Engineering (CeNSE), IISc, rapportent le développement d’une plate-forme informatique à haute efficacité énergétique prometteuse dans la construction d’appareils électroniques de nouvelle génération.

Au lieu d’utiliser des semi-conducteurs métal-oxyde complémentaires (CMOS) qui sont les éléments constitutifs de la plupart des circuits électroniques actuels, l’équipe a utilisé des composants appelés memristors qui peuvent à la fois stocker des données et effectuer des calculs. En concevant des memristors uniques basés sur des complexes métallo-organiques, l’équipe a pu réduire le nombre de composants nécessaires dans un circuit, augmentant considérablement la vitesse et l’efficacité.

“Nous avons maintenant découvert un élément de circuit moléculaire capable de capturer des fonctions logiques complexes en lui-même, facilitant les calculs en mémoire dans un plus petit nombre d’intervalles de temps et utilisant beaucoup moins d’éléments que d’habitude”, déclare Sreetosh Goswami, professeur adjoint au CeNSE qui a dirigé les deux les études publiées dans Matériaux avancés.

Les architectures informatiques existantes traitent et stockent les données dans des emplacements physiques distincts. La communication aller-retour entre deux emplacements consomme la part du lion de l’énergie informatique. “Nous résolvons ce problème en effectuant à la fois le calcul et le stockage au même emplacement physique”, déclare-t-il.

La plate-forme “surclasse” les technologies de pointe actuelles par des ordres de grandeur, ajoute Goswami. “Nous sommes [now] capable de créer des réseaux d’appareils plus robustes, cohérents et stables, même par rapport aux technologies commerciales telles que les mémoires flash.”

Les circuits basés sur des memristors précédemment développés souffrent également de limitations de vitesse et ont un plus grand risque d’accumulation d’erreurs car ils effectuent des opérations de manière séquentielle. La conception de la nouvelle plate-forme réduit le nombre d’étapes opérationnelles, augmente la vitesse et réduit les erreurs, selon les chercheurs.

Les complexes métallo-organiques utilisés pour construire leur plateforme ont été conçus par Sreebrata Goswami, scientifique spécialiste au CeNSE. “Ces [complexes] sont comme des éponges électroniques qui peuvent prendre et donner des électrons pendant des milliards de cycles sans dégradation », dit-il. En faisant de petites modifications chimiques – en ajoutant ou en remplaçant un ou deux ions dans les complexes, par exemple – les chercheurs pourraient être en mesure d’adapter le même circuit pour plusieurs fonctions.

Lorsqu’ils ont construit des circuits qui effectuent des opérations mathématiques et les ont comparés à un circuit CMOS typique, l’équipe a découvert que la nouvelle plate-forme offrait une efficacité énergétique 47 fois supérieure et une vitesse de fonctionnement 93 fois plus rapide, tout en n’occupant que 9 % de l’empreinte physique.

À l’avenir, l’équipe prévoit de connecter la plate-forme à un capteur, par exemple un écran de smartphone qui détecte le toucher, et d’étudier l’efficacité avec laquelle la plate-forme traite les données qu’elle collecte. Santi Prasad Rath, un boursier postdoctoral au CeNSE qui a conçu et fabriqué le circuit avec un doctorat. Deepak, ajoute : « Dans une plate-forme Internet des objets (IoT), cette technologie informatique peut être extrêmement utile.

De tels efforts sont essentiels car les scientifiques pensent que nous atteignons bientôt le point où la technologie CMOS ne peut plus être mise à l’échelle en termes d’efficacité ou de performances. “Cela nécessite l’invention de nouvelles constructions de dispositifs à l’échelle nanométrique pour permettre la loi de Moore au cours des prochaines décennies”, déclare Navakanta Bhat, professeur au CeNSE et expert en technologies CMOS.

“Le fait qu’une plate-forme moléculaire émergente surpasse une technologie mature est assez significatif. Il s’agit d’une recherche à enjeux élevés qui peut aider à façonner l’avenir de notre mission nationale dans l’électronique des semi-conducteurs.”