10 entreprises qui explorent de nouvelles architectures informatiques

Du silicium aux nouvelles formes d’informatique

L’histoire de l’informatique commence avec des dispositifs mécaniques capables d’effectuer des calculs jusque-là réalisés par les humains. Les tubes à vide, puis les transistors, ont ensuite permis le développement des ordinateurs électroniques.

La prochaine révolution a été les puces informatiques en silicium, avec une densité de transistors toujours croissante pour une puissance de calcul toujours plus grande.

Source: Mobile First

Dans le contexte de cet article, l’industrie développe des procédés de fabrication de puces désignés par des nœuds de 5 nm, voire 2 nm. Ces noms ne correspondent pas directement à la taille de chaque transistor. La miniaturisation du silicium rencontre néanmoins des limites physiques et techniques.

À l’échelle atomique, les propriétés des matériaux et les effets quantiques imposent des contraintes. En pratique, les difficultés de fabrication, de dissipation thermique et de maîtrise des courants de fuite apparaissent bien avant qu’un transistor puisse être réduit à un seul atome.

Alors, la puissance de calcul s’arrêtera‑t‑elle ici ? Probablement pas.

La progression du calcul peut se poursuivre grâce à de nouvelles architectures et à d’autres principes physiques, sans que toutes les solutions abandonnent le silicium. Voici plusieurs pistes prometteuses, présentées sans entrer dans tous les détails techniques.

Semi-conducteurs autres que le silicium

Un semi-conducteur est un matériau dont la conductivité peut être contrôlée. Dans un transistor, cette propriété permet notamment de représenter des états logiques à l’aide de niveaux électriques. Il ne se définit pas simplement comme un matériau alternativement conducteur et isolant.

Le silicium domine la fabrication des puces, mais d’autres matériaux sont étudiés. La largeur de bande interdite est l’un des paramètres importants, avec la mobilité des charges, la stabilité et la compatibilité avec la fabrication. Une bande interdite ne suffit pas à rendre tout matériau adapté.

Source: Energy Education

Dioxyde de vanadium

Le dioxyde de vanadium est étudié pour sa transition entre un état isolant et un état métallique. Dans certaines conditions, cette transition peut se produire à une échelle de temps de l’ordre du millième de milliardième de seconde, soit une picoseconde.

Cette transition rapide pourrait être utile à de nouveaux composants électroniques. Elle ne garantit pas à elle seule des circuits plus petits ou plus rapides que toutes les technologies à base de silicium.

Des recherches récentes ont étudié le dioxyde de vanadium déposé sur un substrat de dioxyde de titane.

Les chercheurs ont également étudié le rôle d’un substrat actif de dioxyde de titane, dont les propriétés semi-conductrices étaient déjà connues. L’association avec le dioxyde de vanadium pourrait servir à des circuits neuromorphiques imitant certains comportements des neurones, sans reproduire toutes les capacités d’un cerveau.

La transition isolant-métal du dioxyde de vanadium peut contribuer à créer des oscillateurs à impulsions de type neurone de Mott. De tels composants reproduisent certains comportements électriques de neurones biologiques.

Graphène

Le graphène est un matériau bidimensionnel doté d’une très grande conductivité électrique. Certaines structures particulières à base de graphène présentent aussi une supraconductivité dans des conditions précises. Cela ne signifie pas qu’une feuille de graphène ordinaire soit un supraconducteur ou un remplacement direct du silicium.

Nous présentons des travaux visant à donner au graphène les propriétés nécessaires à des composants semi-conducteurs dans « Semi-conducteurs en graphène : sont-ils enfin là ? ».

Matériaux organiques

Des travaux explorent aussi des matériaux organiques organisés en structures bidimensionnelles. Certaines de ces structures peuvent combiner transport des charges et propriétés semi-conductrices. Leurs performances dépendent du matériau et ne sont pas automatiquement identiques à celles du graphène.

Cette piste est présentée dans « Les semi-conducteurs organiques peuvent-ils combiner les avantages du graphène et du silicium ? ».

Optimisation de la consommation d’énergie des semi‑conducteurs

La maîtrise de la consommation et de la dissipation thermique constitue un défi majeur lorsque la densité et la vitesse des circuits augmentent.

Une piste consiste à utiliser une commande par réactions d’oxydoréduction, appelée « redox gating ». Elle modifie l’état du matériau par un processus électrochimique et pourrait réduire l’énergie nécessaire à certaines opérations.

Si les coûts énergétiques prennent une place croissante dans le calcul, cette approche pourrait devenir intéressante. Nous l’examinons dans « La commande par oxydoréduction pourrait améliorer l’efficacité des composants électroniques miniatures ».

Photonique

Les matériaux semi-conducteurs alternatifs cherchent à compléter ou remplacer le silicium. La photonique explore une autre voie : utiliser la lumière pour transmettre et traiter certaines informations, souvent en association avec l’électronique.

L’idée est d’effectuer certaines opérations directement au moyen de signaux lumineux.

La photonique peut offrir une grande bande passante et réaliser certaines opérations en parallèle. La vitesse de la lumière ne suffit toutefois pas à garantir un ordinateur globalement plus rapide : les conversions, la mémoire, le contrôle et l’architecture comptent aussi.

En pratique, la photonique peut utiliser le silicium, mais aussi d’autres matériaux et structures cristallines.

La conception photonique tient compte de la nature ondulatoire de la lumière, avec des guides d’ondes, des interférences et des résonateurs. Les contraintes diffèrent de celles des circuits purement électroniques, et la maturité varie selon l’application.

Source: Synopsys

Informatique quantique

L’informatique quantique utilise la préparation, la manipulation et la mesure d’états quantiques pour traiter l’information.

Elle repose sur des bits quantiques, ou qubits. Un qubit peut se trouver dans une superposition des états 0 et 1 ; sa mesure fournit ensuite un résultat selon les probabilités de cet état. Cela ne permet pas de lire simultanément toutes les réponses possibles.

Les algorithmes quantiques diffèrent des algorithmes classiques. L’objectif est surtout de compléter le calcul classique pour certaines tâches, plutôt que de remplacer tous les ordinateurs.

Le calcul classique ne fonctionne pas uniquement de façon linéaire : il peut aussi être parallèle. Des avantages quantiques sont néanmoins envisagés pour certaines simulations moléculaires, opérations cryptographiques ou tâches mathématiques. Ils ne sont pas démontrés pour tous les problèmes complexes, comme toute la modélisation climatique ou le repliement des protéines.

Des ordinateurs quantiques suffisamment fiables pourraient donc accélérer certaines tâches difficiles pour les machines classiques, sans nécessairement éliminer le silicium.

Pour en savoir plus, consultez « L’état actuel de l’informatique quantique ».

Organoïdes biologiques

Le cerveau humain accomplit efficacement des tâches comme la reconnaissance de formes et le langage, avec une consommation de l’ordre de quelques dizaines de watts. Il ne fonctionne toutefois pas comme un ordinateur numérique classique.

La jeune entreprise suisse FinalSpark étudie des organoïdes d’environ 0,5 mm constitués de quelque 10 000 neurones humains. Sa plateforme permet de mener à distance des expériences sur ces réseaux biologiques. Il s’agit de recherche en bio-informatique, pas encore d’un processeur généraliste remplaçant les puces.

Ce domaine est encore très jeune et son potentiel reste incertain. L’idée d’appareils autonomes fonctionnant avec des neurones cultivés demeure spéculative.

10 entreprises actives dans les nouvelles architectures informatiques

1. International Business Machines Corporation

International Business Machines Corporation (IBM ) (IBM) a joué un rôle majeur dans la commercialisation des ordinateurs centraux. Le secteur comprend aujourd’hui de grands acteurs aux activités différentes, notamment Apple (AAPL ), TSMC et NVIDIA (NVDA ).

Elle est toutefois à la pointe du développement des ordinateurs quantiques. Par exemple, elle a développé son ordinateur quantique de 127 qubits “Eagle”, suivi d’un système de 433 qubits nommé “Osprey”.

Cette gamme a été complétée par Condor, un processeur quantique supraconducteur de 1 121 qubits utilisant des portes à résonance croisée, ainsi que par Heron, une autre architecture de processeur quantique.

IBM est impliquée dans la plupart des autres innovations de pointe en informatique et dans l’industrie des semi‑conducteurs. Cela inclut les matériaux organiques conducteurs, l’informatique neuromorphique, la photonique, etc.

IBM dispose d’un vaste portefeuille de brevets et d’une expertise dans les nouvelles méthodes de calcul. La concession de licences fait partie de ses activités, mais l’entreprise ne se réduit pas à une société de brevets.

Ses recherches couvrent plusieurs architectures émergentes. La détention de brevets peut soutenir cette stratégie, sans garantir une domination technique ou commerciale.

2. Microsoft Corporation

Déjà leader des services cloud classiques, Microsoft (MSFT ) est un pionnier dans l’offre de services cloud quantiques avec Azure Quantum.

Il est tout à fait possible que la plupart de l’informatique quantique du futur soit réalisée « à distance », en s’appuyant sur des services cloud comme ceux de Microsoft, plutôt que sur un accès direct à un ordinateur quantique.

Des spécialistes de la chimie, des matériaux ou d’autres domaines pourraient ainsi accéder à des ressources quantiques sans gérer directement le matériel. Ils auraient néanmoins besoin de compétences et d’outils adaptés pour choisir les algorithmes et interpréter les résultats.

Des équipes spécialisées peuvent gérer l’infrastructure de calcul à distance, tandis que les chercheurs se concentrent sur leurs applications. Le recours au cloud ne supprime pas les besoins de formation scientifique et technique.

Le service Microsoft propose le calcul hybride, qui associe ressources quantiques et calcul classique dans le cloud.

Source: Microsoft

Microsoft propose des partenariats avec plusieurs fournisseurs de technologies quantiques, notamment IonQ (IONQ), Pasqal, Quantinuum, Quantum Circuits Inc. (QCI) et Rigetti (RGTI). QCI désigne ici Quantum Circuits Inc., et non la société cotée Quantum Computing Inc. portant le symbole QUBT.

Source: Microsoft

Microsoft a également établi fin 2023 une collaboration avec Photonic, une société travaillant sur la fusion de l’informatique quantique et de la photonique.

Microsoft a aussi travaillé sur des puces photoniques analogiques pour le secteur financier.

L’informatique quantique ne représente qu’une partie des activités de Microsoft. Cette diversification distingue son exposition de celle d’entreprises spécialisées comme Rigetti, mais ne rend pas son action automatiquement sûre ou adaptée à tout investisseur.

3. Alphabet Inc.

Google est très actif en informatique quantique, principalement via son laboratoire Google Quantum AI et le campus Quantum AI à Santa Barbara.

En 2019, Google a annoncé que Sycamore avait effectué une tâche expérimentale d’échantillonnage en 200 secondes, contre une estimation de 10 000 ans sur un superordinateur classique. Cette estimation a notamment été contestée par IBM. Il s’agissait d’une tâche précise, pas d’une supériorité sur tous les calculs utiles.

Mais peut‑être que la plus grande contribution de Google sera dans le logiciel, un domaine où il possède un bien meilleur historique que le matériel (recherche, G Suite, Android, etc.). Le Quantum AI de Google propose déjà une suite de logiciels conçus pour aider les scientifiques à développer des algorithmes quantiques.

Google est également un partenaire actif de sociétés de photonique comme Lightmatter.

Les outils logiciels et les investissements de Google pourraient influencer l’évolution du calcul quantique et d’autres architectures. L’ampleur de ce rôle dépendra toutefois des résultats techniques et de l’adoption par le secteur.

4. Intel

Intel (INTC ) est un grand producteur de puces et semble vouloir exploiter cette force dans le domaine de l’informatique quantique.

Intel a présenté Tunnel Falls, une puce de recherche à 12 qubits de spin dans le silicium. Fabriquée sur des tranches de 300 mm, elle affiche, selon Intel, un rendement de 95 % à l’échelle de la tranche. Cela montre l’intérêt des procédés industriels, sans faire de Tunnel Falls un ordinateur quantique commercial de grande capacité.

Source: Intel

Fidèle à ses racines, Intel développe également le logiciel permettant d’exploiter ses puces, avec la sortie du Intel Quantum SDK. Celui‑ci fournit des directives aux programmeurs pour développer des logiciels d’informatique quantique compatibles avec la conception des puces quantiques Intel, qui a historiquement constitué un atout très fort et rentable pour le cœur de métier des puces classiques d’Intel.

Source: Intel

Le développement d’une fabrication de puces quantiques à grande échelle pourrait être aussi révolutionnaire pour l’industrie que n’importe quelle autre percée scientifique technique, en réduisant les coûts et en établissant des standards communs de programmation et d’architecture de puces.

En octobre 2023, Intel a annoncé le transfert de la fabrication et de la commercialisation de ses modules émetteurs-récepteurs optiques enfichables à Jabil (JBL). L’accord ne concernait pas l’abandon de toute la recherche photonique d’Intel.

Intel poursuit donc ses travaux en informatique quantique tout en réorientant certaines activités photoniques. Cette opération ne suffit pas à conclure que l’entreprise renonce à la photonique au profit du quantique.

5. Nvidia

Le principal fabricant de cartes graphiques et, plus récemment, de plateformes de minage de cryptomonnaies et de puces IA est désormais passé d’un fabricant de pièces PC à l’un des géants technologiques mondiaux.

Nvidia participe également à l’écosystème quantique avec NVIDIA DGX Quantum, qui associe calcul classique accéléré et contrôle de systèmes quantiques. La plateforme logicielle CUDA Quantum prend en charge des workflows hybrides ; elle ne transforme pas les GPU en qubits.

Source: Nvidia

Nvidia a aussi annoncé Quantum-X800, une plateforme réseau InfiniBand pour les infrastructures d’IA. Malgré son nom, ce réseau n’est pas un ordinateur quantique.

En ce qui concerne la photonique, Nvidia a conclu un partenariat avec TSMC et Broadcom.  Cette approche chercherait à créer un module unique via l’optique co-encapsulée (CPO) intégrant puces silicium classiques et photonique.

Les activités de Nvidia dépendent fortement de la demande actuelle en IA. La photonique et le calcul quantique offrent d’autres possibilités, mais leur développement ne garantit pas des revenus ou des bénéfices supplémentaires.

6. Quantinuum / Honeywell

Quantinuum est le résultat de la fusion de Honeywell Quantum Solutions et de Cambridge Quantum (et, comme mentionné, un partenaire du cloud quantique de Microsoft).

Quantinuum semble, pour l’instant, se concentrer sur des segments moins explorés par d’autres systèmes quantiques, notamment les analyses financières et logistiques, grâce à son moteur Quantum Monte Carlo Integration (QMCI), lancé en septembre 2023.

QMCI s’applique à des problèmes sans solution analytique, tels que le prix des dérivés financiers ou la simulation des résultats d’expériences de physique des particules à haute énergie, et promet des avancées computationnelles dans les secteurs de l’entreprise, de l’énergie, de la logistique de chaîne d’approvisionnement et d’autres domaines.

Comme Microsoft, l’informatique quantique n’est pas le cœur des activités de Honeywell, qui se concentre davantage sur les produits aérospatiaux, l’automatisation et les produits chimiques et matériaux spécialisés.

Les applications possibles du calcul quantique dans ces secteurs contribuent à expliquer l’intérêt stratégique de Honeywell.

Par sa participation dans Quantinuum, Honeywell est exposée au développement de services quantiques et à leurs applications industrielles. Cela pourrait créer des synergies, sans garantir une adoption plus rapide que chez ses concurrents.

7. Synopsys

De nombreux systèmes photoniques devront être intégrés à des composants électroniques, notamment en silicium. Les outils de Synopsys peuvent faciliter cette conception conjointe.

L’entreprise est spécialisée dans les logiciels de conception et de vérification des circuits intégrés, ce qui signifie que son logiciel est utilisé pour concevoir de nouvelles puces, y compris des puces utilisant des procédés avancés désignés par des nœuds de 5 nm et moins.

Synopsys propose aussi des logiciels pour la photonique, présentés comme « un flux de conception intégré pour les dispositifs, systèmes et circuits photoniques ». Ces outils prennent en charge la conception et la simulation de composants photoniques.

Source: Synopsys

Synopsys et Juniper Networks ont également créé OpenLight, une entreprise de photonique intégrée associant des composants en phosphure d’indium à une plateforme photonique sur silicium.

8. Juniper Networks

Juniper affirme offrir la solution sans fil native cloud n° 1 et le seul réseau Wi‑Fi piloté par IA. Cela le place directement en concurrence avec des géants plus anciens et établis comme Cisco. La technologie de Juniper, Juniper Mist, serait plus évolutive, plus flexible et meilleure en détection d’anomalies que les offres équivalentes de Cisco.

Les solutions de l’entreprise reposent fortement sur l’IA, avec son moteur IA « Marvis » utilisé à tous les niveaux du réseau, de l’utilisateur au centre de données.

Source: Juniper

En matière de sécurité, Juniper propose également des pare-feux et des outils de protection contre les menaces et les failles exploitées. Ses concurrents comprennent Fortinet (FTNT ), Palo Alto, Zscaler. Les comparaisons de performances dépendent des tests et des produits évalués.

Juniper propose également des Circuits photoniques intégrés (PIC), actuellement principalement utilisés pour la transmission de données et les capteurs. Ils devraient devenir une partie intégrante des futurs ordinateurs basés sur la photonique.

Source: Synopsys

9. Rigetti Computing, Inc.

Rigetti est une société d’informatique quantique qui met en avant sa propriété intellectuelle dans les processeurs multipuces et les architectures hybrides quantiques-classiques. Il s’agit de son positionnement technologique, pas d’une garantie de supériorité sur toutes les autres architectures.

L’entreprise intègre toutes les étapes nécessaires à l’informatique quantique, de la conception et la fabrication des puces jusqu’à la mise à disposition de ressources de calcul dans le cloud.

Source: Rigetti

L’entreprise cherche à améliorer la fidélité et la vitesse de ses opérations tout en augmentant la taille de ses systèmes. Le nombre de qubits ne suffit pas à mesurer les performances d’un ordinateur quantique.

Dans sa feuille de route présentée à l’époque de l’article, Rigetti prévoyait Ankaa-3, un processeur de 84 qubits, pour le second semestre 2024. Elle visait également un système de 336 qubits à plus long terme. Il s’agissait d’objectifs, non de capacités déjà livrées.

Source: Rigetti

En décembre 2023, Rigetti a commencé la vente du système de 9 qubits Novera, un « mini ordinateur quantique » vendu pour « seulement » 900 000 $ avec une livraison de 4‑6 semaines.

Les premiers clients comprenaient le SQMS Center de Fermilab, l’Air Force Research Laboratory et Horizon Quantum (HQ ) Computing.

L’entreprise a annoncé au printemps 2024 qu’elle allait  rejoindre l’indice Russell 3000.

10. IPG Photonics

IPG fabrique différentes familles de lasers, notamment des lasers à fibre et des lasers à diode, ainsi que des sources à différentes longueurs d’onde. L’article cite historiquement environ 6 200 employés et plus de 42 000 dispositifs expédiés par an ; ces chiffres ne doivent pas être traités comme des données actuelles.

Sa spécialité est le laser à fibre. Certains modèles produisent des impulsions femtosecondes, c’est-à-dire d’une durée mesurée en millionièmes de milliardième de seconde. Cela ne signifie pas que tous atteignent une impulsion d’une seule femtoseconde.

Les lasers IPG sont actuellement utilisés pour :

• Applications scientifiques avancées (spectroscopie, microscopie, interférométrie, piégeage optique, etc.)
• Fabrication de batteries et de moteurs électriques pour véhicules électriques
• Traitement des matériaux, notamment la découpe, le fraisage, le nettoyage de métaux et l’impression 3D laser.
• Micro‑traitement laser, où les lasers sont utilisés pour créer des structures ultra‑petites.

Le développement de puces photoniques exige encore des progrès. Les lasers constituent déjà des sources lumineuses importantes pour de nombreuses architectures, souvent associées à des composants électroniques classiques.

Le calcul photonique peut nécessiter des sources lumineuses stables et adaptées à l’architecture choisie. Des fabricants comme IPG pourraient trouver de nouveaux débouchés, mais une hausse de la demande ne profite pas automatiquement à tous les fournisseurs.

Des impulsions ultracourtes peuvent contribuer à certaines architectures de traitement optique. Leur durée ne détermine pas à elle seule la vitesse ou l’efficacité de l’ordinateur complet.