Des chercheurs de l'EPFL ont utilisé MoS2 pour créer un processeur mémoire économe en énergie composé de plus de 1 000 transistors. Ce processeur peut effectuer efficacement des opérations de multiplication de matrice vectorielle, représente un changement par rapport à l'architecture traditionnelle de von Neumann et peut promouvoir le développement de l'industrie européenne des semi-conducteurs.
Le premier processeur mémoire à grande échelle utilisant des matériaux semi-conducteurs bidimensionnels développé par des chercheurs de l'EPFL pourrait réduire considérablement la consommation d'énergie dans le secteur des technologies de l'information et de la communication.
Lorsque les technologies de l’information et des communications (TIC) traitent des données, elles convertissent l’énergie électrique en chaleur. Aujourd’hui, les émissions de dioxyde de carbone de l’écosystème mondial des TIC sont aussi importantes que celles de l’industrie aéronautique. Cependant, il s’avère que la majeure 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 dépensée pour traiter les données est utilisée pour transférer des octets entre la mémoire et le processeur.
Dans un article publié le 13 novembre dans la revue Nature Electronics, des chercheurs du Laboratoire de nanoélectronique et structures (LANES) de la Faculté d'ingénierie de l'EPFL présentent un nouveau type de processeur qui résout cette inefficacité en intégrant le traitement et le stockage des données dans un seul dispositif, appelé processeur mémoire. Ils ont créé le premier processeur mémoire composé de plus de 1 000 transistors basés sur des matériaux semi-conducteurs bidimensionnels, ouvrant ainsi un nouveau domaine. Il s’agit d’une étape importante sur la voie de la production industrielle.
L'héritage de Von Neumann
Andras Kis, qui a dirigé la recherche, estime que le principal responsable des inefficacités actuelles des processeurs provient de l'architecture von Neumann, couramment utilisée. Plus précisément, la séparation physique des composants utilisés pour effectuer des calculs et stocker des données. En raison de cette séparation, le processeur doit récupérer des données de la mémoire pour effectuer des calculs, ce qui nécessite de déplacer des charges, de charger et décharger des condensateurs et de transmettre du courant le long de fils, qui dissipent tous de l'énergie.
Jusqu’il y a 20 ans, cette architecture se justifiait car le stockage et le traitement des données nécessitaient différents types d’équipements. Cependant, 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 un processeur de mémoire à usage plus général contenant des composants pouvant fonctionner à la fois comme mémoire et comme transistors", a expliqué Keith. "Son laboratoire a étudié comment y parvenir en utilisant un matériau semi-conducteur appelé bisulfure de molybdène (MoS2)."
Nouvelle architecture de processeur 2D
Dans leur article Nature Electronics, Guilherme Migliato Marega, assistant de doctorat au LANES, et ses co-auteurs présentent un processeur mémoire basé sur MoS2 dédié à l'une des opérations fondamentales du traitement des données : la multiplication vectorielle-matrice. De telles opérations sont omniprésentes dans la mise en œuvre de modèles de traitement du signal numérique et d’intelligence artificielle. Améliorer son efficacité pourrait permettre d’économiser d’importantes quantités d’énergie dans le secteur des technologies de l’information et des communications.
Leur processeur combine 1 024 éléments sur une puce carrée d’un centimètre carré. Chaque élément est constitué d'un transistor MoS2 bidimensionnel et d'une grille flottante, utilisée pour stocker la charge en mémoire et ainsi contrôler la conductivité de chaque transistor. Le couplage du traitement et de la mémoire de cette manière modifie fondamentalement la façon dont les processeurs effectuent les calculs. "En réglant la conductivité de chaque transistor, nous pouvons effectuer une multiplication analogique à matrice vectorielle simplement en appliquant une tension au processeur et en mesurant la sortie", a expliqué Keith.
Un grand pas vers des applications pratiques
Dans le processus de développement des processeurs mémoire, le choix du matériau MoS2 joue un rôle crucial. Premièrement, le MoS2 est un semi-conducteur nécessaire au développement des transistors. Contrairement au silicium, le semi-conducteur le plus utilisé dans les processeurs informatiques actuels, le MoS forme une monocouche stable de seulement trois atomes d'épaisseur qui n'interagit que faiblement avec son environnement. Sa finesse permet de réaliser des appareils extrêmement compacts. Enfin, c’est un matériau que Kis Labs connaît très bien. En 2010, ils ont utilisé du scotch pour créer le premier transistor MoS2 monocouche en utilisant une seule couche de matériau MoS2 décollée du cristal.
Au cours des 13 dernières années, leur métier a mûri et la contribution de Migliato Marega est indispensable. "Le progrès clé d'un seul transistor à plus de 1 000 transistors réside dans la qualité du matériau que nous sommes en mesure de déposer. Après une optimisation approfondie du processus, nous pouvons désormais produire des tranches entières recouvertes d'une couche uniforme de MoS2. Cela nous permet de concevoir des circuits intégrés sur ordinateur à l'aide d'outils conformes aux normes de l'industrie et de traduire ces conceptions en circuits physiques, ouvrant ainsi la porte à une production de masse", a déclaré Keith.
Revitaliser l’industrie européenne de fabrication de puces
Outre sa valeur purement scientifique, Kis estime que ce résultat démontre l'importance d'une coopération scientifique étroite entre la Suisse et l'UE, notamment dans le contexte du European Chip Act, qui vise à renforcer la compétitivité et l'adaptabilité de l'Europe dans les technologies et applications des semi-conducteurs. "Le financement de l'UE a été crucial pour ce projet et pour les projets précédents, y compris le financement des travaux sur le premier transistor MoS2, ce qui montre à quel point le financement de l'UE est important pour la Suisse", a déclaré Kees. "Dans le même temps, cela montre comment le travail effectué par la Suisse peut profiter à l'UE dans le processus de revitalisation de la fabrication électronique. Par exemple, l'UE peut se concentrer sur le développement d'architectures de traitement non von Neumann pour les accélérateurs d'intelligence artificielle et d'autres applications émergentes, plutôt que de rivaliser avec d'autres dans la même course. En définissant sa propre concurrence, l'UE peut prendre une longueur d'avance et s'assurer une position favorable à l'avenir."