Des chercheurs américains ont reçu un prix de 15 millions de dollars de la National Science Foundation (NSF) pour développer des puces supraconductrices qui devraient être beaucoup plus rapides et utiliser beaucoup moins d’énergie que le matériel sur lequel le monde s’appuie aujourd’hui pour l’informatique.
Une équipe de la Viterbi School of Engineering de l’Université de Californie du Sud dirige l’effort, et il porte le nom DISCoVER, un acronyme plutôt amusant qui signifie Design and Integration of Superconductive Computation for Ventures Beyond Exascale Realization.
Comme son nom l’indique, les scientifiques cherchent à utiliser des matériaux supraconducteurs comme alternative aux semi-conducteurs actuels pour développer de nouveaux types de circuits intégrés ultra-rapides et très économes en énergie qui peuvent permettre un calcul exascale durable et à grande échelle.
La création de superordinateurs capables de fournir plus d’un exaflop, ou un quintillion d’opérations en virgule flottante par seconde, a été un objectif stratégique important pour les États-Unis et d’autres pays, dont la Chine, car ils peuvent accélérer considérablement des projets de recherche critiques, allant de la drogue développement à la modélisation du changement climatique.
Cependant, on craint que les approches actuelles de conception et de fabrication de processeurs au silicium ne se heurtent à un mur et ne s’adaptent plus suffisamment pour fournir des performances post-exaflopiques, d’où la nécessité de choses comme la recherche sur les supraconducteurs pour, espérons-le, surmonter cette barrière technologique.
Margaret Martonosi, directrice adjointe de la NSF pour l’informatique et les sciences et l’ingénierie de l’information, a déclaré que le prix de 15 millions de dollars à DISCoVER, annoncé vendredi, est destiné à “soutenir les efforts qui envisagent les futurs matériaux pour les systèmes informatiques dans une ère post-Moore’s Law”.
Le travail de DISCoVER consiste à développer des systèmes matériels et logiciels complets qui “permettent la conception, l’optimisation et la démonstration de nouveaux dispositifs supraconducteurs, de circuits logiques quantiques à flux unique et de systèmes supraconducteurs à très hautes performances et à très haute efficacité énergétique, approchant la limite théorique de l’énergie Efficacité.”
Plus précisément, l’équipe se concentre sur les puces utilisant des jonctions Josephson à base de niobium, des dispositifs constitués de deux matériaux supraconducteurs reliés par un matériau non supraconducteur. Ces appareils ne peuvent fonctionner qu’à la très basse température de 4,2 Kelvin (égale à -452 degrés Fahrenheit ou -269 degrés Celsius), et ils stockent des valeurs logiques de zéros et de uns “en créant ou en supprimant des courants persistants dans des boucles supraconductrices”.
La vraie chose intéressante à propos de ces boucles supraconductrices est qu’elles “présentent une résistance nulle et donc, ne perdent pas d’énergie”, comme l’indique DISCoVER. C’est l’une des principales raisons pour lesquelles les puces supraconductrices ont des implications aussi stupéfiantes pour l’efficacité énergétique en informatique.
Un long chemin à parcourir
Il y a énormément de travail à faire, donc DISCoVER le partage entre l’équipe de l’USC Viterbi et des chercheurs de plusieurs autres universités, dont l’Université Auburn en Alabama, l’Université Cornell à New York, l’Université Northeastern à Boston, l’Université Northwestern à Illinois, Université de Rochester à New York et Université nationale de Yokohama au Japon.
L’équipe de l’USC Viterbi concentrera ses efforts sur le développement de circuits et d’architectures supraconducteurs pour un large éventail d’applications, notamment des processeurs à usage général, des accélérateurs de réseaux neuronaux et des systèmes de contrôle classiques pour les ordinateurs quantiques.
Les autres chercheurs universitaires, quant à eux, travailleront en tandem avec l’équipe de l’USC Viterbi pour permettre “la conception et le prototypage d’un système supraconducteur de cœurs informatiques cryogéniques”, qui porte l’acronyme incroyablement cool de SuperSoCC.
Les travaux du SuperSoCC mettront l’accent sur les nouveaux matériaux et dispositifs, la conception de la mémoire sur puce et les interfaces qui permettront au SuperSoCC d’interagir avec l’électronique à température ambiante.
DISCoVER pense que le SuperSOCC pourrait être au moins 100 fois plus économe en énergie que les puces traditionnelles fabriquées à l’aide de transistors CMOS à base de silicium tout en offrant le même niveau de performances que les puces semi-conductrices multicœurs “à la pointe de la technologie”. D’un autre côté, l’équipe pense que le SuperSoCC pourrait fournir des performances au moins 100 fois plus rapides au même niveau d’énergie que les puces CMOS.
Notamment, DISCoVER a déclaré que ces gains majeurs sont possibles malgré le coût énergétique du refroidissement cryogénique, qui est requis pour le SuperSOCC.
En fin de compte, DISCoVER espère “habiliter une nouvelle génération d’ingénieurs et d’entrepreneurs divers qui apporteront des dispositifs et des circuits supraconducteurs au courant dominant de l’informatique haute performance”.
“Avec les limites fondamentales de mise à l’échelle CMOS en vue, le moment est venu pour une expédition d’explorer les technologies informatiques perturbatrices émergentes”, a déclaré Massoud Pedram, professeur à l’USC et expert en informatique verte qui dirige DISCoVER. ®
