La recherche en bioinformatique et en informatique neuromorphique pourrait être la clé de l’amélioration de l’efficacité énergétique des ordinateurs. En nous inspirant des systèmes efficaces de la nature, comme le cerveau humain, nous pourrons peut-être répondre aux besoins énergétiques d’un monde de plus en plus numérique.

Alors que les ordinateurs consomment de plus en plus d’énergie, les scientifiques se tournent vers une source d’inspiration improbable pour une plus grande durabilité : la modeste cellule biologique. Cette approche, connue sous le nom de bioinformatique, peut réduire la consommation d'énergie pendant l'informatique.

Un article récent dans The Conversation met en lumière ce concept, qui exploite les systèmes efficaces de la nature pour résoudre l'un des défis les plus urgents de l'informatique moderne. Alors que les centres de données et les équipements domestiques engloutissent environ 3 % de la demande mondiale d’électricité, et que l’intelligence artificielle est prête à pousser ce chiffre encore plus haut, le besoin d’alternatives économes en énergie n’a jamais été aussi grand.

Le concept de bioinformatique est né d'un principe proposé par le scientifique d'IBM Rolf Landauer en 1961. La limite de Landauer stipule que la consommation d'énergie minimale requise pour une seule tâche de calcul (comme régler un bit sur 0 ou 1) est d'environ 10-²¹ Joules (J). Bien que ce chiffre puisse paraître négligeable, il devient significatif si l’on considère les milliards d’opérations effectuées par les ordinateurs.

En théorie, faire fonctionner un ordinateur à la limite de Landauer rendrait la consommation d’énergie de calcul et la gestion thermique inutiles. Mais il y a un gros problème : pour atteindre ce niveau d’efficacité, les opérations doivent être infiniment lentes. En fait, des vitesses de calcul plus rapides entraîneront inévitablement une augmentation de la consommation d’énergie.

Les processeurs actuels fonctionnent à des vitesses d'horloge de plusieurs milliards de cycles par seconde et consomment environ 10-¹¹J par bit, soit environ 10 milliards de fois la limite de Landauer. Cette vitesse élevée est le résultat du fonctionnement des ordinateurs en série, effectuant une opération à la fois.

Pour résoudre cette énigme énergétique, les chercheurs explorent une conception informatique fondamentalement différente, basée sur un traitement massivement parallèle. Cette approche suggère d'utiliser des milliards de processeurs « tortues » plus lents, chacun ne prenant qu'une seconde pour accomplir une tâche, plutôt que de s'appuyer sur un seul processeur « lapin » à grande vitesse. En théorie, cela pourrait permettre aux ordinateurs de fonctionner à proximité de la limite de Landauer, avec une consommation d'énergie bien inférieure à celle des systèmes actuels.

La bioinformatique basée sur le Web est une mise en œuvre prometteuse de cette idée, exploitant la puissance des protéines motrices biologiques – les machines naturelles à l’échelle nanométrique. Le système consiste à coder des tâches informatiques dans des canaux labyrinthes nanofabriqués, généralement constitués de motifs polymères déposés sur des tranches de silicium. Des filaments biologiques entraînés par des protéines motrices explorent simultanément tous les chemins possibles dans le labyrinthe.

Chaque filament biologique, d'un diamètre de seulement quelques nanomètres et d'une longueur d'environ un micron, code des informations grâce à sa position spatiale dans le labyrinthe, devenant ainsi un « ordinateur » indépendant. Cette structure est particulièrement adaptée à la résolution de problèmes combinatoires qui imposent des exigences élevées en termes de puissance de calcul des ordinateurs série.

Des expériences ont montré que cet ordinateur biologique nécessite 1 000 à 10 000 fois moins d'énergie par calcul qu'un processeur électronique. Cette efficacité découle des propriétés évoluées des protéines motrices biologiques, qui utilisent uniquement l’énergie nécessaire pour effectuer des tâches à la vitesse requise – généralement quelques centaines de pas par seconde, soit un million de fois plus lente qu’un transistor.

Récemment, des progrès significatifs ont été réalisés dans ce domaine. Heiner Linke, professeur de nanophysique à l'Université de Lund et auteur de l'article Dialogue, a également co-écrit un article de 2023 démontrant la possibilité de faire fonctionner des ordinateurs à proximité de la limite de Landauer. Cette avancée nous rapproche de la réalisation du potentiel de l’informatique à très faible consommation d’énergie.

Bien que le concept de bioinformatique soit prometteur, il reste des défis à relever pour faire évoluer ces systèmes afin de concurrencer les ordinateurs électroniques en termes de vitesse et de puissance de calcul. Les chercheurs doivent surmonter divers obstacles, comme contrôler précisément les biofilaments, réduire les taux d’erreur et intégrer ces systèmes à la technologie actuelle.

Si ces obstacles peuvent être surmontés, les processeurs résultants pourraient résoudre certains types de problèmes informatiques difficiles à des coûts énergétiques considérablement réduits. Cette avancée pourrait avoir de profondes implications sur l’avenir de l’informatique et son impact sur l’environnement.

Comme autre approche, les chercheurs explorent également l’informatique neuromorphique, qui tente de simuler l’architecture hautement interconnectée du cerveau humain. Bien que les éléments physiques de base du cerveau ne soient pas intrinsèquement plus économes en énergie que les transistors, leur structure et leur fonctionnement uniques offrent des possibilités fascinantes pour une informatique économe en énergie.