Un jalon dans l'informatique : Processeur 2D en mémoire avec plus de 1000 transistors

Une équipe de chercheurs de l'EPFL a conçu un processeur in-memory économe en énergie utilisant du MoS2 et intégrant plus de 1000 transistors. Ce processeur économe en énergie est capable d'exécuter une multiplication vectorielle-matrice efficace et signifie une rupture avec l'architecture von Neumann couramment utilisée. L’invention pourrait potentiellement dynamiser l’industrie européenne des semi-conducteurs.

Le premier processeur in-memory à grande échelle des chercheurs de l'EPFL, qui utilise des matériaux semi-conducteurs 2D, a le potentiel de réduire considérablement la consommation d'énergie du secteur des TIC.

L'empreinte CO2 mondiale des technologies de l'information et de la communication (TIC) existantes est aussi importante que celle de l'industrie aéronautique en raison de la conversion de l'électricité en chaleur lors du traitement des données. Il est intéressant de noter qu’une partie importante de l’énergie utilisée par les processeurs informatiques n’est pas utilisée dans les activités de calcul, mais plutôt dans le transfert d’octets de la mémoire vers le processeur.

Le 13 novembre, un article de recherche a été publié dans la revue Nature Electronics présentant l'invention d'un nouveau processeur par des chercheurs de la Faculté d'ingénierie de l'EPFL du Laboratoire d'électronique et de structures à l'échelle nanométrique (LANES). Ce processeur se caractérise par une caractéristique unique consistant à intégrer le traitement et le stockage des données sur un seul appareil, appelé processeur en mémoire. Il s'agit du premier processeur en mémoire basé sur un matériau semi-conducteur bidimensionnel et contenant plus de 1 000 transistors, ce qui représente une étape majeure vers la production industrielle.

Un article identique a été publié dans la revue Nature Electronics par les mêmes chercheurs de la Faculté d'ingénierie de l'EPFL à LANES, où ils ont mis l'accent sur la création d'un nouveau processeur en mémoire capable d'intégrer le traitement et le stockage des données sur un seul appareil. Cette recherche représente le premier exemple d'un processeur en mémoire basé sur un matériau semi-conducteur bidimensionnel et contenant plus de 1 000 transistors, marquant une étape critique vers la production industrielle. Crédit : 2023 EPFL / Alan Herzog

Andras Kis, responsable de la recherche, affirme que la principale raison de l'inefficacité des processeurs actuels est la conception de l'architecture von Neumann qui sépare les composants utilisés pour effectuer les calculs et stocker les données. En raison de cette séparation, les processeurs doivent déplacer des charges électroniques et transmettre du courant pour récupérer les données de la mémoire à des fins de calcul, ce qui entraîne une dissipation d'énergie.

L'architecture de von Neumann était bénéfique jusqu'à il y a environ vingt ans, lorsque différents dispositifs étaient nécessaires pour le stockage et le traitement des données. Cependant, ces dernières années ont vu apparaître plusieurs alternatives efficaces à cette architecture. Afin de fusionner le stockage et le traitement des données dans un processeur en mémoire plus général, le laboratoire de Kis a exploré des méthodes efficaces utilisant un matériau semi-conducteur, le bisulfure de molybdène (MoS2).

Dans leur article publié dans Nature Electronics, Guilherme Migliato Marega, doctorant au LANES, et ses co-chercheurs ont présenté un processeur en mémoire basé sur MoS2, conçu pour l'une des tâches de base du traitement des données : la multiplication vectorielle-matrice. Améliorer son efficacité pourrait conduire à des économies d’énergie significatives dans l’ensemble du secteur des TIC.

Leur processeur innovant intègre 1024 éléments sur une puce d'un centimètre par centimètre. Chaque élément est composé d'un transistor 2D MoS2 en plus d'une grille flottante qui stocke une charge contrôlant la conductivité de chaque transistor. En associant mémoire et traitement, le calcul est considérablement altéré. Selon Kis, en gérant la conductivité de chaque transistor, la multiplication analogique vectorielle-matrice peut être facilement réalisée en une seule étape en appliquant une tension au processeur et en évaluant la sortie.

Le matériau choisi pour la construction de leur processeur en mémoire, le MoS2, a joué un rôle crucial dans l'invention. Le MoS2, un matériau semi-conducteur, est essentiel au développement des transistors. Contrairement au silicium largement utilisé dans les processeurs informatiques actuels, le MoS2 crée une monocouche stable d’une simple épaisseur de trois atomes. De plus, il présente une interaction négligeable avec l’environnement. Grâce à sa finesse, il est possible de concevoir des appareils très compacts. De plus, le laboratoire de Kis connaît ce matériau. En 2010, ils ont développé leur premier transistor MoS2 en utilisant une monocouche de matériau décollée d'un cristal avec du scotch.

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 MoS2 uniforme. 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.

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.