Circuit sanguin électronique pour puces d'ordinateur 3D
Une association de scientifiques suisses souhaite refroidir et alimenter simultanément en énergie de nouvelles puces informatiques tridimensionnelles grâce à un circuit de liquide. Ils se sont inspirés du cerveau humain.
Les ordinateurs plus performants de l'avenir ne devraient plus être constitués de puces bidimensionnelles comme aujourd'hui, mais de puces tridimensionnelles. L'évolution vers de tels empilements de puces est donc prometteuse, car elle permet non seulement de réduire la surface au sol des puces, mais aussi de raccourcir les connexions de données et de multiplier la bande passante pour la transmission des données. Toutefois, deux défis compliquent le développement de puces 3D complexes : D'une part, ces puces deviennent extrêmement chaudes et il est difficile d'évacuer la chaleur. D'autre part, l'apport d'énergie via le socle de la puce avec des connexions électroniques traditionnelles n'est pas suffisant pour alimenter la puce en énergie suffisante.
Un groupement de scientifiques suisses, avec la participation déterminante de chercheurs de l'ETH Zurich et sous la direction d'IBM Research Zurich, souhaite à présent refroidir et alimenter en énergie de tels empilements de puces 3D en utilisant une approche inédite. Ils s'inspirent pour cela de la structure du cerveau humain, qui est parcouru de vaisseaux très fins dans lesquels le sang qui circule refroidit et fournit de l'énergie aux cellules nerveuses. Le cerveau est environ 10'000 fois plus dense et 10'000 fois plus efficace sur le plan énergétique que les meilleurs ordinateurs actuels.
La puce et la batterie fusionnent en une unité
Grâce notamment au projet Aquasar, les scientifiques d'IBM et de l'ETH Zurich ont déjà plusieurs années d'expérience avec les ordinateurs refroidis par eau (ETH Life a rapporté). En outre, dans le cadre du projet CMOSAIC, ils ont déjà développé les premiers systèmes de test pour le refroidissement de puces d'ordinateur 3D, dans lesquels le liquide est acheminé dans des structures fines comme un cheveu à travers les différentes couches de l'empilement de puces. En se basant sur ce système, les chercheurs veulent également réaliser l'alimentation en énergie via les couches de liquide dans le nouveau projet baptisé "Repcool", auquel participent également des scientifiques de l'Institut Paul Scherrer et de l'Université de la Suisse italienne : Au lieu du liquide de refroidissement, c'est une solution d'électrolyte qui doit s'écouler à travers la pile de puces dans le "circuit sanguin électronique". Des électrons devraient ainsi passer d'une électrode centrale à des électrodes réceptrices décentralisées sur les différentes couches de l'empilement 3D. La puce informatique et la pile fusionnent ainsi quasiment en une seule unité.
Un superordinateur de la taille d'un PC
L'objectif ultime du projet est de développer un superordinateur de la taille d'un PC : Alors que les superordinateurs actuels, avec une puissance de calcul d'un pétaFLOPS (c'est-à-dire un billion d'opérations par seconde), remplissent une salle de classe entière, la nouvelle technique doit permettre de faire cela dans un volume de 10 litres. Pour y parvenir, les différents éléments de la puce 3D - les couches du processeur, les électrodes, les électrolytes et les membranes situées entre les différentes couches - doivent être optimisés.
Les différentes couches de l'empilement ne font qu'une centaine de micromètres d'épaisseur, soit le diamètre d'un cheveu humain. "L'une des principales difficultés du projet est de faire entrer suffisamment de puissance électrique dans cet espace restreint", explique Dimos Poulikakos, professeur à l'Institut de technologie énergétique de l'ETH Zurich. Selon lui, la densité de puissance de la cellule liquide électrochimique de type batterie doit être multipliée par plus de dix par rapport à ce qui est possible aujourd'hui.
"Réunir le meilleur de la nature et de la technologie"
Pour ce faire, Poulikakos, dont la contribution au projet est l'optimisation des propriétés d'écoulement du liquide en circulation et le transfert de matière et de chaleur dans le circuit, travaille en étroite collaboration avec Thomas Schmidt, professeur au Laboratoire de chimie physique de l'ETH Zurich et à l'Institut Paul Scherrer. Le groupe de Schmidt s'occupe d'améliorer les propriétés électrochimiques de la cellule liquide. Michele Parinello, professeur de sciences computationnelles à l'ETH Zurich et à l'Université de la Suisse italienne, étudie les matériaux au niveau moléculaire. Sa contribution au projet consiste à étudier quels matériaux doivent être utilisés pour améliorer les réactions électrochimiques à l'interface liquide-puce. Enfin, au centre de recherche IBM de Rüschlikon, le groupe de Bruno Michel, directeur du groupe de recherche Advanced Thermal Packaging, travaille à l'intégration des différents systèmes dans un prototype. Les différents composants ainsi que le système intégré y sont en outre testés et optimisés.
"En associant les connaissances de la biologie à notre expertise en matière de technologie des puces, nous sommes capables de développer des systèmes informatiques efficaces et puissants qui combinent le meilleur de la nature et de la technologie", explique Michel, selon un communiqué de presse d'IBM.
Ce texte est basé sur un communiqué de presse d'IBM.