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Des puces électroniques moins précises pour plus de performances !

Une équipe internationale d'experts en informatique a récemment présenté des prototypes de puces électroniques basées sur la nouvelle technologie "Probabilistic Complementary Metal-Oxide Semiconductor (PCMOS)". En termes de consommation, de taille et de vitesse d'exécution, ces puces sont environ 15 fois plus performantes que les micro-puces actuellement utilisées dans les systèmes informatiques. Le principe est simple : il s'agit d'autoriser la puce à commettre un certain pourcentage d'erreurs, en contrôlant adroitement la probabilité que ces erreurs surviennent et en limitant les calculs qui peuvent les produire. Les puces sont ainsi dites "inexactes". Cette approche est surprenante car contre-intuitive : la capacité des puces à générer des erreurs, plutôt que de constituer une pénalité, constitue ici la clé de leur performance.

A l'heure où les besoins en traitement de l'information de toute nature (scientifique, financière, commerciale, etc) sont de plus en plus pressants et ne cessent d'augmenter, la contrainte de rentabilité énergétique est devenue le nouveau critère primordial pour la conception des futures puces électroniques. Suivant la conjoncture de Moore, la taille des microprocesseurs ne cesse de diminuer et d'augmenter en complexité depuis leur invention en 1971. Or, à mesure que leur taille est diminuée, ils deviennent de plus en plus "bruyants". Pour y remédier, les ingénieurs élèvent leur tension de fonctionnement, ce qui permet de surmonter le bruit mais entraîne une consommation énergétique élevée.

La technologie PCMOS apporterait donc une solution à ce problème, en permettant la conception de puces plus écologiques et toujours plus performantes, en concordance avec la conjecture de Moore. En autorisant les erreurs et incertitudes, la tension de fonctionnement peut être significativement diminuée et les performances améliorées. Krishna Palem, professeur à Rice University à Houstonet directeur du "Rice-NTU Institute for Sustainable and Applied Infodynamics (ISAID)" , est l'inventeur de cette technologie, pour laquelle il a déposé un brevet en 2009. La technologie PCMOS se base sur une nouvelle logique probabiliste permettant de gérer les erreurs et incertitudes générées, radicalement différente de la logique booléenne utilisée jusqu'alors dans tous les calculateurs numériques. En effet, la logique booléenne n'autorise que deux états, vrai ou faux, qui sont la base du codage informatique actuel, lequel passe par tout un éventail de règles mathématiques pour manipuler ces valeurs binaires. La validation des PCMOS s'est faite conjointement avec Rice University et la Nanyang Technological University (NTU) à Singapour via un institut commun créé en 2007 par Palem : "The Institute for Sustainable Nanoelectronics" (ISNE). C'est au ISNE (qui est basé au NTU) que le premier prototype de PCMOS a vu le jour en 2008.

Les nouveaux prototypes sont le fruit d'une collaboration étroite entre Rice University, NTU, Switzerland's Center for Electronics and Microtechnology (CSEM) et l'University of California à Berkeley. Ils ont créé en 2011 une technique remarquable pour réaliser ces "puces inexactes", simplement en retirant les portions rarement utilisées des micro-puces actuelles : "un élagage basé sur une logique de probabilités". Les prototypes contiennent donc à la fois des circuits traditionnels et des circuits "élagués", réalisés côte à côte sur la même puce de silicium. La nouvelle technologie s'implémente ainsi sur les supports actuels utilisés par les fabricants de puces, ce qui représente un intérêt non négligeable. La systématisation pour leur production est ainsi facile et n'entraîne pas de coût supplémentaire puisqu'elle se base sur les équipements déjà existants.

Dans les derniers tests, les chercheurs ont montré que cette technique d' "élagage" permettait de réaliser des puces 7.5 fois plus performantes (en termes de consommation d'énergie, taille et vitesse d'exécution) que les puces habituelles, pour une déviation par rapport à la valeur exacte de 0,25 %. En tolérant une déviation de 8 %, elles sont même jusqu'à 15 fois plus performantes.

Or, pour beaucoup d'applications basées sur la perception telles que la vision ou l'écoute, des erreurs de plus de 10 % peuvent facilement être tolérées. En effet, la dégradation de qualité est trop petite pour pouvoir être détectée par l'oeil ou l'oreille. Ainsi dans un futur proche, Palem souhaiterait développer les premiers prototypes complets de processeurs basés sur cette technique d'élagage pour des applications spécifiques tels que des casques Bluetooth, cartes graphiques, prothèses auditives, implants médicaux et éventuellement téléphones portables.

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