Pourquoi nous devons abandonner l’idée des circuits infaillibles

Les circuits intégrés sont-ils «trop parfaits» pour certaines applications technologiques? Tel est en tous cas le concept défendu par Christian Enz, nouveau Directeur de l’Institut de microtechnique. Le scientifique démontre que les circuits défectueux sont capables de remplir les mêmes fonctions que les circuits parfaits. Ils présentent même l’avantage d’être plus rapides, moins coûteux et moins gourmands en énergie. Développée en collaboration avec le Prof. Palem de l’Université de Rice et le CSEM, cette approche a été présentée lors de l’«European Solid-state Circuits Conference».

Directeur du Laboratoire de circuits intégrés (ICLAB), Christian Enz explique pourquoi nous devrions construire les dispositifs futurs avec des circuits imparfaits, et adopter la notion de «good enough engineering». En plus de permettre une réduction substantielle de la consommation d’énergie, ce concept devrait permettre de continuer la course à la miniaturisation, actuellement compromise. De plus en plus miniaturisés, les transistors qui constituent les circuits intégrés produisent en effet de plus en plus d’erreurs. Il devient ainsi nécessaire d’ajouter des éléments de corrections, ce qui annule les bénéfices de la miniaturisation, et fait augmenter la consommation d’énergie. Une situation qui mène progressivement à la fin de la loi de Moore. En se concentrant sur les circuits inexacts qui tolèrent des erreurs, il est possible de suivre la loi de Moore, mais également de réduire la surface de silicium des circuits, et ainsi gagner en consommation et en coût. Reste encore à convaincre les industriels d’abandonner le concept de «circuits parfaits», auquel ils sont très attachés.


Comment se fait-il que les puces «inexactes» puissent fonctionner aussi bien que si elles étaient parfaites?

En réalité, les circuits sont capables de tolérer une part statistique d’erreurs, avec un impact négligeable sur le résultat final. Bien sûr, cette approche ne convient pas pour toutes applications, mais elle peut être exploitée pour des tâches liées à la perception tels que l’audio et la vidéo. La dégradation de la qualité de l’image sur un téléphone portable due aux circuits imparfaits, par exemple, n’est presque pas perceptible. Le processus de vision chez l’humain est extrêmement robuste : il corrige automatiquement les petits défauts. L’œil n’a donc pas besoin d’images d’une qualité parfaite. Si quelques pixels sont très légèrement altérés durant le visionnage, ou que le son subit d’imperceptibles distorsions, le consommateur ne se rendra compte de rien.

Comment procédez-vous pour créer un circuit «inexact» ?

Le plus important est de pouvoir repérer l’endroit où un disfonctionnement peut être toléré. Nous recherchons d’abord sur un circuit les dispositifs qui ne sont pas très sollicités. Par exemple, si la fonction de calcul des décimales est peu active sur un bloc de circuit dont la tâche est d’effectuer des additions, nous pouvons essayer de l’enlever. Cela provoque des erreurs et ainsi une dégradation des métriques de qualité, tels que le rapport signal/bruit ou la qualité de l’image, mais dans une mesure parfaitement acceptable. Cette technique est appelée inexact arithmetics ou d’une façon plus générale, le good enough engineering.

Quel est l’avantage de ce nouveau genre de circuits?
Ils permettent de réduire la consommation d’énergie de manière substantielle. C’est d’ailleurs l’aspect qui nous a intéressés dans un premier temps. Nous avions remarqué qu’en remplaçant un circuit exact par un circuit approximatif, nous pouvions élaborer des puces qui consomment deux fois moins d’énergie, sont deux fois plus rapides et deux fois plus petites.
Par la suite, nous avons eu l’idée d’exploiter la robustesse de nos circuits imparfaits pour contrecarrer les imperfections inhérentes aux technologies avancées. En d’autres termes, nous avons utilisé ces circuits non seulement pour réduire la consommation d’énergie, mais aussi pour contourner les limites de la miniaturisation que connaissent les circuits infaillibles.

Pourquoi les circuits parfaits ne peuvent-ils plus être miniaturisés ?
Durant les quarante dernières années, il a été possible de doubler le nombre de transistors présents sur une puce de silicium tous les deux ans, comme le prédisait la loi empirique de Moore, édictée en 1965. Grâce à ces progrès, les ordinateurs, tablettes et smartphones sont devenus très puissants, peu gourmands en énergie et de plus en plus petits. Or à l’heure actuelle, les transistors sont d’une taille inférieure à 20 nanomètres (millionième de millimètre), et les circuits sont si denses qu’il n’est plus possible d’assurer une fonctionnalité sans faute, en raison de la plus grande variabilité de la technologie. Si l’on veut maintenir un fonctionnement parfait, il est donc nécessaire de rajouter des circuits de correction d’erreurs et/ou d’augmenter les marges de sécurité. Ces mesures font perdre les avantages de la diminution des dimensions des transistors, et la consommation d’énergie ne peut plus être réduite. Elle pourrait même augmenter. Les limites de la miniaturisation commencent à se faire sentir, mais nos circuits imparfaits constituent une alternative intéressante à cette impasse.

Est-il facile de faire passer l’idée de «good enough engineering» dans la société actuelle ?
Pas vraiment. Pour un designer, il est inacceptable de supprimer certaines parties d’un circuit et d’introduire des erreurs intentionnellement. L’approche actuelle préconise en effet que le circuit synthétisé corresponde exactement au circuit désiré. Cette nouvelle façon de faire constitue donc un changement de paradigme, qu’il est difficile à faire valoir dans une société où seule la technologie la plus parfaite est valorisée. Certaines entreprises, telles qu’Intel, ont toutefois montré un grand intérêt pour ce concept, car elle constate n’y a plus vraiment d’alternative. Différents groupes de recherches dans le monde planchent d’ailleurs maintenant également sur cette question.

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Christian Enz et son équipe travaillent sur les circuits inexacts dans le cadre d’un projet FNS intitulé «IneSoC». Plus précisément, il s’agit de poursuivre les recherches initialement menées au Centre Suisse d’Electronique et de Microtechnique (CSEM), dans le cadre d’un projet international mené en collaboration avec l’Université Rice (Houston, TX), et l’Université Nanyang Technology (Singapore).

A noter que des recherches sur les puces défaillantes sont également effectuées au sein de l’EPFL par le professeur Andreas Burg. Mais l’approche est quelque peu différente. Le scientifique n’essaie pas d’introduire des erreurs dans les circuits de manière volontaire : il étudie la façon dont on pourrait «faire avec» les erreurs qui sont déjà présentes dans les circuits, dans le cadre de la communication wireless.
https://sti.epfl.ch/page-78653-fr.html

Informations sur la conférence : European Solid-State Circuits Conference

Christian Enz, nouveau directeur de l’IMT
Anciennement vice-président au Centre suisse d’électronique et de microtechnique (CSEM), Christian Enz occupe depuis janvier 2013 le poste de Directeur de l’Institut de Microtechnique, et de chef du Laboratoire de circuits intégrés( ICLAB). Chercheur et dirigeant de premier plan, il travaille notamment à la conception de circuits intégrés analogiques et radiofréquence de très faible puissance, et à la modélisation de dispositifs semiconducteurs. Il a développé de nouveaux modèles de transistors MOS nanométriques, dont le modèle EKV utilisé par l’industrie pour la conception de circuits basse consommation. Son expertise comprend également la conception de circuits intégrés analogiques CMOS et radiofréquence de faible puissance et basse tension pour des applications à des réseaux de capteurs sans fil, en instrumentation et dans le domaine biomédical.
Ses compétences seront précieuses à la faculté des Sciences et Techniques de l’ingénieur. Il chapeautera notamment le développement du pôle de la microtechnique à Neuchâtel, avec la construction du bâtiment Microcity, qui sera inauguré en mai 2014.

 Texte: Laure-Anne Pessina