Des ingénieurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT) ont mis au point de nouveaux composants informatiques analogiques en silicium capables d’effectuer des calculs en exploitant la chaleur excédentaire en lieu et place d’un apport électrique supplémentaire. Ces dispositifs utiliseraient ainsi la chaleur qu’ils génèrent — habituellement considérée comme un déchet à dissiper — comme une forme d’information à part entière. Une telle approche pourrait ouvrir la voie à des systèmes informatiques plus sobres en énergie, à l’heure où la recherche de sources alternatives devient toujours plus pressante.
Les dispositifs de calcul analogique suscitent un intérêt croissant ces dernières années, portés par la demande croissante de puissance de calcul des technologies modernes, notamment les grands modèles de langage. Ce type de calcul utilise des grandeurs physiques continues, telles que la température ou la tension électrique, afin de réaliser des opérations en temps réel.
Les nouveaux composants développés par l’équipe du MIT reposent sur l’utilisation de la chaleur excédentaire générée par ces composants pour effectuer des calculs, ce qui permettrait, en théorie, des économies d’énergie notables puisqu’il ne serait pas nécessaire de recourir à un apport électrique supplémentaire pour cette étape du calcul. Il s’agit donc d’exploiter la chaleur déjà produite par un système alimenté électriquement, et non de se passer entièrement d’électricité.
« La plupart du temps, lorsqu’on effectue des calculs sur un appareil électronique, la chaleur est un déchet. On cherche souvent à s’en débarrasser le plus possible. Mais ici, nous avons adopté une approche inverse en utilisant la chaleur comme une forme d’information à part entière et en démontrant qu’il est possible de calculer avec de la chaleur », explique, dans un article de blog du MIT, Caio Silva, étudiant de premier cycle au département de physique et auteur principal de l’étude consacrée à ce nouveau paradigme informatique.
Les données d’entrée seraient encodées sous la forme de profils thermiques issus de la chaleur résiduelle générée par le dispositif, celle-ci servant de support informationnel au calcul. Le flux et la distribution de la chaleur à travers un matériau spécifiquement conçu constitueraient la base du calcul, tandis que les données de sortie seraient représentées par la puissance récupérée à l’autre extrémité. Autrement dit, l’information est codée sous forme de chaleur et de flux thermique, plutôt qu’en bits binaires (0 ou 1), comme dans l’informatique numérique classique.
Quand la chaleur devient support d’information
Le concept de Silva et de ses collègues s’appuie sur des travaux antérieurs — menés par la même équipe — portant sur un système logiciel capable de concevoir un matériau conduisant la chaleur de manière déterminée. Ce système repose sur une technique dite de « conception inverse » : au lieu de partir d’une géométrie donnée pour en déduire les propriétés, les chercheurs définissent d’abord les fonctionnalités recherchées, puis calculent la configuration optimale du matériau apte à les remplir.
Le logiciel a ainsi permis d’élaborer des structures complexes en silicium, chacune faisant la taille d’un grain de poussière et capables d’effectuer des calculs par conduction thermique. Plus précisément, le système a généré un réseau de minuscules structures rectangulaires en silicium, au sein desquelles des micropores ont été intégrés. Chaque structure est ajustée jusqu’à atteindre une capacité de calcul optimale lorsque la chaleur s’y diffuse.
« Ces structures sont bien trop complexes pour que nous puissions les concevoir par simple intuition. Nous devons apprendre à un ordinateur à les concevoir pour nous. C’est ce qui fait de la conception inverse une technique si puissante », explique Giuseppe Romano, chercheur à l’Institut des nanotechnologies pour les soldats au MIT et co-auteur principal de l’étude.
Une précision de calcul de plus de 99 %
Le concept se heurtait toutefois à une contrainte physique majeure : la loi de la conduction thermique impose que la chaleur se propage des zones chaudes vers les zones froides. Dans ces conditions, les structures ne peuvent traiter que des coefficients négatifs, et non positifs.
Pour surmonter cette difficulté, les chercheurs ont modifié l’architecture de la matrice en silicium, en décomposant notamment l’interface cible en composantes positives et négatives. « Trouver la topologie adéquate pour une matrice donnée est complexe. Nous avons résolu ce problème en développant un algorithme d’optimisation qui garantit que la topologie obtenue est aussi proche que possible de la matrice souhaitée, sans aucune partie aberrante », précise Silva.
L’équipe a réalisé des simulations de multiplications matrice-vecteur comportant deux ou trois colonnes afin d’évaluer la performance de la structure. En apparence élémentaire, la multiplication matricielle constitue pourtant le socle de nombreuses applications informatiques, de l’apprentissage automatique au diagnostic microélectronique.
D’après les résultats de l’étude, détaillés récemment dans la revue Physical Review Applied, les structures analogiques ont effectué des calculs avec une précision supérieure à 99 % dans de nombreux cas.
Des promesses encore à l’épreuve de l’échelle
La technique demeure toutefois à un stade préliminaire et nécessitera encore d’importants développements avant d’envisager des applications à des tâches complexes comme l’apprentissage profond. À ce stade, des millions de structures analogiques devraient être assemblées pour atteindre la puissance de calcul requise.
Par ailleurs, plus les matrices gagnent en complexité, plus la précision des structures diminue, en particulier lorsque la distance entre les bornes d’entrée et de sortie augmente, soulignent les chercheurs. La bande passante de ces dispositifs reste également limitée et devra être significativement accrue pour répondre aux exigences de l’apprentissage profond.
Néanmoins, étant donné que ces structures exploitent la chaleur excédentaire, elles pourraient d’ores et déjà trouver des applications dans la gestion thermique, ainsi que dans la détection de sources de chaleur ou de gradients de température en microélectronique. Elles réduiraient également le besoin de multiples capteurs de température, qui occupent un espace précieux sur une puce.
« Ces informations sont importantes. Les gradients de température peuvent provoquer une dilatation thermique et endommager un circuit, voire entraîner la panne d’un appareil entier. La présence d’une source de chaleur localisée là où elle est indésirable indique un problème. Grâce à ces structures, nous pourrions détecter directement ces sources de chaleur et les intégrer sans aucun autre composant numérique », avance Romano.
À l’étape suivante, les chercheurs prévoient de concevoir des versions améliorées des structures en silicium capables de prendre en charge des opérations séquentielles, notamment lorsqu’une structure alimente la suivante. Ils envisagent également de développer des structures programmables, permettant d’encoder différentes matrices sans devoir en redessiner entièrement la géométrie à chaque nouvelle configuration.