Plus petits, plus rapides, meilleurs – Les processeurs 3D pour soutenir les besoins de transfert de données de demain

Les chercheurs de l’Université de Floride sont prêts à transformer la communication sans fil avec une nouvelle technologie semi-conductrice pour la fabrication de processeurs, améliorant considérablement l’efficacité du transfert de données à l’échelle mondiale. Publiée dans la revue Nature Electronics, cette innovation intervient à un moment où la demande de transfert de données à haute vitesse augmente de façon spectaculaire. 

Déjà, l’expansion d’Internet, avec le nombre d’utilisateurs d’Internet qui augmente de façon significative et le trafic Internet mondial qui augmente plusieurs fois, a entraîné une demande pour les centres de données et la transmission de données qui croît à un rythme extrêmement rapide.

En plus, au cours des dernières années, l’intelligence artificielle (IA) a encore fait exploser cette demande. L’industrie de plusieurs milliards de dollars de l’IA change nos vies et croît à un rythme rapide. Elle est utilisée dans tout, de l’éducation, l’art et le divertissement aux soins de santé, l’automobile et bien plus encore. 

Les applications d’IA nécessitent une puissance de calcul considérable pour traiter et analyser d’énormes quantités de données, ce qui entraîne le besoin de matériel plus puissant et plus efficace dans les centres de données. 

De plus, il existe une demande croissante pour le transfert de données à haute vitesse au sein des centres de données et à travers les réseaux, car les systèmes d’IA s’appuient souvent sur de grands ensembles de données pour l’entraînement et l’apprentissage continu. Plus ces systèmes d’IA sont complexes, plus le besoin de bande passante réseau élevée et d’améliorations des commutateurs, routeurs et câbles à fibre optique à capacité supérieure augmente afin d’assurer un déplacement efficace des données.

La récente montée des applications d’IA générative, en particulier, porte l’IA vers de nouveaux domaines intéressants. Alors qu’elles deviennent grand public, elles exigent un traitement des données en temps réel pour offrir une réactivité rapide et instantanée. En conséquence, l’infrastructure de données actuelle nécessite une refonte complète pour répondre aux exigences croissantes de l’IA.

Ainsi, dans ce contexte, les scientifiques ont réussi à passer des processeurs plans aux processeurs tridimensionnels (3D). 

Il y a moins d’un mois, des chercheurs de l’Université de Stuttgart, en Allemagne, ainsi que de nombreuses entreprises, ont réalisé « Imaging circuits in three dimensions ». Selon l’étude, les chercheurs ont ajouté une plaque de diamant avec des centres à défaut d’azote (NV) à la zone du circuit à étudier. Ils ont ensuite placé l’ensemble du dispositif dans un microscope à fluorescence à champ large, et les champs magnétiques générés ont affecté les spins des centres NV, mesurés à l’aide de la résonance magnétique détectée optiquement. Il a pu détecter des courants aussi faibles que 10 μA μm−2 avec une résolution spatiale sub-micrométrique.

Ainsi, l’utilisation de la technologie semi-conductrice pour propulser la communication sans fil dans une nouvelle dimension contribue à inaugurer une nouvelle ère d’efficacité dans la transmission des données. L’innovation a été réalisée par l’équipe de Roozbeh Tabrizian, Ph.D., professeur associé au département d’ingénierie électrique et informatique de l’Université de Floride.

Le processeur 3D, selon Tabrizian, marque un moment monumental dans l’évolution de la communication sans fil alors que nous devenons de plus en plus dépendants des échanges de données en temps réel. Il a déclaré:

« La capacité de transmettre les données de manière plus efficace et fiable ouvrira de nouvelles possibilités, stimulant les avancées dans des domaines tels que les villes intelligentes, les soins de santé à distance et la réalité augmentée. »

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Évolution de la communication sans fil 

La transmission d’informations d’un émetteur à un récepteur sans aucune connexion filaire a été réalisée pour la première fois à la fin du XIXe siècle lorsque Heinrich Hertz a démontré la transmission d’ondes électromagnétiques à travers l’espace dans les années 1880. L’unité de fréquence a été nommée « hertz » en son honneur. Puis, plusieurs années plus tard, Guglielmo Marconi a transmis des signaux sur de longues distances en utilisant les ondes radio en 1895. Ce n’est que plusieurs décennies plus tard, dans les années 1970, que le précurseur des téléphones mobiles modernes a été développé.

Ainsi, lorsqu’il s’agit de communication sans fil, il s’agit de la transmission d’informations sur une distance sans l’aide d’aucune forme de conducteurs électriques tels que des fils et des câbles. Cette forme de communication consiste à connecter et communiquer entre deux ou plusieurs appareils en utilisant un signal sans fil via des appareils et technologies sans fil. Certaines formes de ce réseau de communication comprennent le mobile, le Bluetooth, la radio diffusion, le Wi‑Fi et la communication infrarouge.

Cette forme de communication implique généralement le transfert de données à l’aide d’ondes électromagnétiques. Ce mécanisme transporte les signaux partout, d’une distance de quelques mètres, comme une télécommande de télévision, à mille kilomètres, comme la communication par satellite. Il n’existe aucun mode de communication physique ici. 

Par ailleurs, les ondes électromagnétiques comprennent la lumière visible, les rayons gamma, les rayons X, les rayons ultraviolets, les rayons infrarouges, les ondes radio et les ondes micro-ondes, qui transmettent le signal.

La communication sans fil offre plusieurs avantages, le principal étant la flexibilité et la commodité. Cette forme de communication permet aux personnes de communiquer quel que soit leur emplacement. Cette flexibilité permet aux gens d’emporter leurs appareils partout, sans nécessiter de connexion physique, nous permettant de nous connecter avec n’importe qui, n’importe où, à tout moment.

Parce que cette méthode n’implique pas l’utilisation de fils de connexion, de câbles réseau ou l’installation d’une infrastructure physique élaborée, les connexions sans fil sont plus efficaces que leurs homologues filaires.

Des améliorations sont également observées en termes de vitesse et de précision. De plus, la technologie sans fil offre une meilleure accessibilité, notamment dans les zones reculées où le déploiement de lignes terrestres est une tâche difficile et complexe. Cette accessibilité facile offre une connectivité constante, permettant aux personnes de répondre aux urgences relativement rapidement.

Compte tenu des nombreux avantages de la communication sans fil, la technologie sans fil a évolué rapidement pour répondre aux exigences croissantes des utilisateurs. Les avancées technologiques ont conduit à des débits de transmission de données plus élevés et à une amélioration de la qualité des services.

Alors que la connectivité Internet devient une partie essentielle de nos vies personnelles et professionnelles, les chercheurs, scientifiques, entreprises et gouvernements développent et investissent dans des moyens de rendre le transfert de données plus rapide et plus efficace. Plus tôt cette année, des scientifiques de l’Université d’Oxford au Royaume-Uni ont développé des tourbillons magnétiques dans des membranes pour permettre le transfert de données à des kilomètres par seconde. Cette avancée devrait ouvrir la voie à une nouvelle génération de plateformes informatiques ultra-rapides.

Selon Hariom Jani, qui effectue un postdoctorat au département de physique de l’Université d’Oxford:

« L’informatique basée sur le silicium est beaucoup trop énergivore pour la prochaine génération d’applications informatiques telles que l’IA à grande échelle et les dispositifs autonomes. »

Les chercheurs ont fabriqué des membranes d’hématite cristalline extrêmement fines, qui combinent les qualités avantageuses des matériaux 2D et 3D et sont facilement transférables. Ces membranes flexibles peuvent être torsadées sous différentes formes sans se casser, une qualité utilisée pour façonner des tourbillons magnétiques en 3D. L’intégration de cette technologie devrait permettre aux futurs ordinateurs de fonctionner comme le cerveau humain.

Un autre développement intéressant dans le domaine a eu lieu il y a deux ans lorsque des chercheurs de l’École d’ingénierie de l’Université de Birmingham ont révélé une nouvelle antenne à orientation de faisceau pour améliorer l’efficacité de la transmission de données. De plus, elle ouvre une gamme de fréquences pour les communications mobiles qui étaient inaccessibles aux technologies actuellement utilisées.

Un processeur révolutionnaire

À l’heure actuelle, les données de nos appareils mobiles sont converties en ondes électromagnétiques qui sont communiquées aller-retour entre les utilisateurs du monde entier. Ici, les processeurs ou filtres spectraux sont responsables du déplacement des données à travers différentes fréquences. Le traitement spectral découpe l’audio en petites unités discrètes, permettant de le cibler à un niveau très fin.

La façon de comprendre cela est à travers les feux de circulation, qui assurent un flux efficace du trafic à travers une ville. Cependant, il n’y a qu’un certain niveau de trafic que l’infrastructure d’une ville peut gérer. Si le volume de voitures continue d’augmenter, cela créera un problème.

Maintenant, « nous commençons à atteindre la quantité maximale de données que nous pouvons déplacer efficacement », a déclaré Tabrizian. Il a expliqué que les processeurs plans, sur lesquels les communications sans fil se sont traditionnellement appuyées, « ne sont plus pratiques car ils nous limitent à une plage très restreinte de fréquences ».

Dans l’industrie des semi-conducteurs, le planar est un procédé de fabrication utilisé pour construire des composants uniques d’un transistor puis les connecter entre eux. C’est ainsi que les puces de circuits intégrés en silicium sont construites. Un circuit intégré (CI), également appelé micropuce, est un petit dispositif électronique composé de plusieurs composants électroniques interconnectés tels que transistors, résistances et condensateurs gravés sur une petite pièce de matériau semi-conducteur.

Les semi-conducteurs sont une partie intégrante de notre monde aujourd’hui car ils ont contribué à révolutionner la technologie. Ce sont des matériaux dont la conductivité se situe entre celle des conducteurs et des isolants. Ils sont utilisés dans la fabrication de diodes, transistors et CI pour leur faible coût, leur efficacité énergétique, leur compacité et leur fiabilité. Ce sont les semi-conducteurs qui nous fournissent des appareils électroniques, des radios et ordinateurs aux équipements de diagnostic médical et bien plus encore. 

Aujourd’hui, avec les avancées technologiques et l’avènement de l’IA, l’augmentation substantielle de la demande nécessite beaucoup plus de filtres à diverses fréquences pour déplacer les données. Tabrizian a déclaré:

« Pensez-y comme à des feux sur la route et dans les airs. Cela devient un désordre. Une puce fabriquée pour une seule fréquence n’a plus de sens. »

Tabrizian et ses coéquipiers du Herbert Wertheim College of Engineering ont utilisé le procédé de fabrication CMOS pour construire le résonateur nanomécanique tridimensionnel. CMOS ou Semi-conducteur à Oxyde Métallique Complémentaire comprend des transistors NMOS qui ont des régions N++ aux bornes source et drain et un substrat de type p, ainsi que des transistors PMOS qui ont deux régions P++ et un substrat de type n. Le CMOS est utilisé pour sa faible dissipation d’énergie et ses faibles courants de fonctionnement.

Le mois dernier, nous avons noté dans notre “Computing at the Speed of Light with Silicon-Photonics” article que des chercheurs de l’Université de Pennsylvanie ont développé une puce qui utilise des ondes lumineuses au lieu de l’électricité pour effectuer les calculs complexes nécessaires à l’entraînement de l’IA. 

Cette nouvelle puce peut faciliter une vitesse de traitement beaucoup plus rapide tout en réduisant la consommation d’énergie des appareils, ouvrant la voie à la nouvelle génération de développement de l’IA. Cela montre l’impact croissant et la demande pour l’IA, incitant tout le monde à prendre note et à travailler pour l’améliorer davantage.

En revenant aux processeurs 3D, ils peuvent offrir des performances améliorées tout en occupant moins d’espace. Ils disposent également d’une évolutivité indéfinie, ce qui les rend extrêmement puissants pour répondre à la demande croissante. À ce sujet, Tabrizian a déclaré:

« En exploitant les forces des technologies semi-conductrices dans l’intégration, le routage et l’emballage, nous pouvons intégrer différents processeurs dépendants de la fréquence sur la même puce. C’est un énorme avantage. »

En intégrant des fréquences diverses sur une seule puce, ce nouveau type de processeur spectral est « vraiment une révolution », a déclaré David Arnold, président associé des affaires du corps professoral à la Department of Electrical and Computer Engineering de l’Université de Floride. Cette « nouvelle approche pour les chipsets radio multi-bandes et agiles en fréquence », a noté Arnold, résout un énorme défi de fabrication tout en permettant aux concepteurs d’« imaginer des stratégies de communication entièrement nouvelles dans un monde sans fil de plus en plus congestionné. »

Cette innovation est le résultat de cinq ans de travail. L’équipe de chercheurs, incluant Faysal Hakim, Troy Tharpe, Nicholas Rudawski et Tabrizian, a commencé à travailler sur cette nouvelle approche du processeur en 2019. 

L’étude a reçu un financement de la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA). Une agence de recherche du Département de la Défense des États-Unis (DOD), DARPA investit et développe des technologies émergentes pour la sécurité nationale militaire. Arnold a déclaré:

« Pour le dire plus simplement, nos appareils sans fil fonctionneront mieux, plus rapidement et plus en sécurité. »

Entreprises 

Examinons maintenant les entreprises qui peuvent bénéficier de cette recherche :

#1. NVIDIA Corporation 

Le fabricant de puces basé en Californie est connu pour ses unités de traitement graphique (GPU). La technologie de NVIDIA (NVDA ) est utilisée dans les centres de données et les applications d’IA, qui peuvent bénéficier des améliorations de l’efficacité du transfert de données. Récemment, répondant à une question sur le nombre supplémentaire d’usines de puces (ou fonderies, abréviation de fabrication) nécessaires pour soutenir l’expansion de l’industrie de l’IA, le PDG de Nvidia, Jensen Huang, a déclaré:

« Nous aurons besoin de plus de fonderies. »

Cependant, ils améliorent également les algorithmes et le traitement de l’IA de manière considérable.

Avec une capitalisation boursière de 2,188 billions de dollars, les actions de l’entreprise se négocient à 869 $, en hausse de 76,75 % depuis le début de l’année (YTD). L’entreprise a un chiffre d’affaires (TTM) de 60,9 milliards de dollars et un BPA (TTM) de 11,93, un PER (TTM) de 73,38 et un ROE (TTM) de 91,46 %. L’entreprise verse également un dividende de 0,02 %. Lors de l’appel de résultats de février, le PDG Huang a parlé des collaborations avec les secteurs de la santé, de la biologie, des services financiers, de la robotique et des véhicules autonomes, ainsi que des développeurs d’IA et de LLM.

#2. Intel Corporation 

Une autre entreprise leader dans l’industrie des semi-conducteurs, Intel (INTC ), pourrait également bénéficier des avancées de la technologie des processeurs. La société espère actuellement obtenir un financement massif de 3,5 milliards de dollars, à répartir sur une période de trois ans, du gouvernement américain pour fabriquer des semi-conducteurs avancés pour les programmes militaires du pays.

Intel entretient déjà des relations de longue date avec le DOD et le Département de l’Énergie (DOE), qui impliquent la production de puces multi-die prototypes et de processeurs au cœur du superordinateur Aurora du DOE.

Avec une capitalisation boursière de 187,42 milliards de dollars, les actions de la société se négocient à 44,33 $, en baisse de 12,44 % YTD. L’entreprise a un chiffre d’affaires (TTM) de 54,22 milliards de dollars et un BPA (TTM) de 0,38, un PER (TTM) de 116,92 et un ROE (TTM) de 1,63 %. L’entreprise verse également un dividende de 1,13 %.

#3. Samsung Electronics

Le géant technologique sud-coréen, Samsung, produit une gamme de composants pour les appareils de communication sans fil et possède une capitalisation boursière de 368,9 milliards. Les actions de l’entreprise se négocient à 1375, en baisse de 8,28 % YTD.

Selon les résultats de l’entreprise pour l’exercice 2023, Samsung a déclaré un chiffre d’affaires annuel de 258,94 billions de KRW (plus de 197 milliards de dollars) et un bénéfice d’exploitation de 6,57 billions de KRW (5 milliards de dollars).

Conclusion 

Comme nous l’avons évoqué ci-dessus, le besoin de transferts de données plus rapides continue d’augmenter chaque jour, surtout maintenant que l’IA est présente et progresse à toute vitesse. Dans un tel environnement, il est important que la recherche continue d’introduire des améliorations dans la transmission des données, nous permettant de vivre une expérience plus enrichissante.