Utiliser des puces défectueuses dans les smartphones et les ordinateurs

Considérés a priori comme inutilisables, les puces électroniques « défectueuses » pourraient en réalité faire partie de téléphones portables ou ordinateurs meilleur marché, très résistants et peu gourmands en énergie. Arrivé en 2011 à l’EPFL, le professeur assistant tenure track Andreas Burg, spécialisé dans les circuits électroniques et les télécommunications, travaille sur ce genre de postulat.

Nos téléphones portables et ordinateurs sont-ils trop sophistiqués pour réaliser les opérations pour lesquelles ils sont conçus? Telle est la question abordée par le Professeur Andreas Burg, directeur du Laboratoire de circuits pour télécommunications (TCL). Le scientifique est parti du postulat qu’étant donné que les téléphones et ordinateurs portables tolèrent déjà un certain nombre d’erreurs lors de la transmission de l’information, il leur était possible de fonctionner également avec des circuits qui ne sont pas efficaces à 100%. Pari gagné. Avec son équipe, le chercheur est parvenu à démontrer qu’il était possible d’intégrer des puces « défaillantes » dans les téléphones et ordinateurs portables, tout en permettant, lorsqu’ils sont en mode de faible consommation d’énergie, de les faire fonctionner plus longtemps, sans dégrader de manière drastique leurs performances. L’avantage de cette nouvelle approche : des circuits moins gourmands en énergie, plus robustes et d’une durée de vie plus longue. « Cette solution permettrait notamment aux industriels d’intégrer dans les appareils le 5% des puces pour téléphones ou ordinateurs qui présentent des défauts lors de la manufacture, et qui terminent actuellement à la poubelle. Un pourcentage qui devrait par ailleurs augmenter, avec l’avènement de technologies toujours plus avancées », évoque le professeur, qui a présenté récemment les résultats de son équipe lors de la Design Automation Conference (DAC) à San Francisco. 

Des circuits électroniques tolérant les fautes
De manière générale, dans les systèmes de communication sans fil, les téléphones et ordinateurs portables sont déjà composés de systèmes tolérant les défaillances au niveau du signal à traiter. En cause : le grand nombre de bruits et d’interférences que l’on trouve dans ces réseaux. Par exemple, lors d’un transfert d’information (ex. ouverture d’une page web depuis un smartphone), les récepteurs ne parviennent habituellement pas à traiter le 100% des données qu’ils reçoivent. Seul le 90% est géré correctement en une seule fois, et stocké dans la mémoire du dispositif. Pour récupérer le reste, une demande de répétition est envoyée automatiquement et très rapidement à l’émetteur, afin qu’il procède à un nouvel envoi. Les nouvelles données sont ensuite mises en rapport avec les données déjà stockées, pour constituer au final un transfert idéal de toutes les données.

C’est dans ce contexte que le professeur Burg a développé son concept. Le scientifique est parti du principe que puisqu’un système peut continuer de fonctionner même si un certain nombre de données est momentanément perdu ou corrompu, il pourrait être possible d’exploiter cette faculté de « tolérance » également pour les erreurs qui apparaissent dans les circuits lorsqu’un dispositif fonctionne en mode réduit de consommation d’énergie. « Lorsqu’un téléphone portable n’a plus de batterie, des erreurs apparaissent et il finit par s’éteindre. Avec notre technique, le téléphone pourrait, au lieu de s’éteindre, continuer à fonctionner plus longtemps mais en mode de consommation réduite. Cela prendrait plus de temps pour recevoir un email, par exemple, mais l’ensemble des services pourrait être maintenu. »

Pour tester ce postulat, le chercheur et son équipe ont élaboré un système de simulation permettant d’injecter des erreurs dans la mémoire d’un subsystème de communication d’un smartphone. Résultat : le système a continué à fonctionner malgré un nombre important de défauts dans le circuit, sans que cela ne diminue de manière importante le débit ou les performances du téléphone.

Une découverte intéressante, car elle permet d’effectuer une réduction de tension très agressive impossible avec des circuits actuels (qui cause actuellement des dégâts irréversibles dans la mémoire du dispositif). Avec cette technique, les industriels pourraient intégrer les puces défaillantes aux téléphones, pour permettre un gain d’énergie.  « Il serait par exemple possible de développer des téléphones « hybrides » meilleur marché qui pourraient passer d’un mode de fonctionnement à un autre, selon les besoins. On pourrait même imaginer des appareils moins chers composés totalement de puces défaillantes, pour autant que l’on accepte que les performances générales soient légèrement réduites de manière permanente», indique le professeur. « En somme, nous préconisons d’abandonner le paradigme « circuit efficace à 100% » pour les systèmes de communication wireless. C’est une nouvelle façon de voir les choses, à laquelle nous sommes arrivés en réunissant deux domaines habituellement très indépendants : le traitement de signal et la conception de circuits.»

Développer des circuits pour les systèmes de communication performants 
Outre le fait de travailler sur les puces « défaillantes », l’équipe du Laboratoire de circuits pour télécommunications (TCL) s’intéresse de manière plus large à d’autres projets liés à l’efficacité spectrale et la haute performance des télécommunications sans fil. Son approche générale consiste à penser les circuits électroniques qui alimentent des systèmes de communication variés, en considérant le problème comme un tout : des algorithmes à la fabrication des puces. Plus particulièrement, il vise de à améliorer le traitement numérique des signaux en développant de nouveaux algorithmes adéquats pour l’implantation sur Silicon, afin de créer des circuits à basse consommation et peu gourmands en énergie.

Dans ce contexte, la technologie entrée-multiples sorties-multiples (MIMO), qui vient de faire son entrée sur le marché, est passée à la loupe. Ce système multi-antennes permet d’améliorer la portée et le débit des données, ainsi que la fiabilité de beaucoup de systèmes de communication. « A l’heure actuelle, les problèmes initiaux de MIMO ont été résolus par les compagnies, mais de nombreuses améliorations sont encore possibles. Lorsque l’on achète un modem, par exemple, le nombre de mégabits par seconde promis pour la rapidité du transfert ne correspond pas à la réalité. » La raison : la qualité d’un signal change constamment, selon la distance entre l’émetteur (un modem, par ex.) et le récepteur (un ordinateur portable, par ex.), mais aussi en fonction de l’environnement ». Andreas Burg œuvre donc au développement de nouveaux algorithmes pour améliorer les récepteurs, avec pour conséquence une baisse de la fluctuation des performances. Seul hic : l’ajout d’algorithmes complexes entraîne souvent une grosse consommation en énergie. «Nous devons trouver une solution pour implémenter ces algorithmes dans le système, mais tout en nous assurant que cela reste économique et tout aussi efficace au niveau énergétique que les algorithmes plus simples, utilisés actuellement.» Le groupe du professeur est déjà parvenu, dans le cadre d’une collaboration avec l’Université RWTH, Aachen (Allemagne) à intégrer le premier ASIC complet pour un tel récepteur itératif, qui sera présenté à la conférence Solid-State Circuits 2012.


Les puces défectueuses : un sujet très discuté à l’internationale

A noter que l’idée d’exploiter la tolérance aux erreurs dans différents systèmes est également à l’étude dans d’autres laboratoires de l’EPFL et dans le monde. Le groupe du professeur Christian Enz, chef du Integrated and Wireless Systems Division au Centre Suisse d’Electronique et de Microtechnique (CSEM), et également professeur à l’EPFL, collabore par exemple à un projet international mené conjointement par la Rice University (Houston, TX), Nanyang Technology University (Singapore)et CSEM (Neuchâtel) sur le sujet. Leur idée consiste à développer des systèmes contenant des erreurs contrôlées, afin de réduire la quantité de hardware. Les circuits inexacts prennent en effet moins de place dans la partie Silicon d’un dispositif, ils sont plus rapides et  consomment moins que les puces ordinaires dotées de circuits exacts, au prix d’une dégradation acceptable de la qualité du signal. La différence principale avec les travaux du Prof Andreas Burg, c’est qu’il s’agit ici d’introduire volontairement des erreurs dans les ordinateurs en minimisant le hardware, afin de gagner de la place et d’économiser de l’énergie. Pour trouver plus d’informations sur cette approche, il est possible de consulter un article récemment paru dans The Economist. Et comme les travaux des groupes des Prof Enz et Burg sont différents mais potentiellement complémentaires, une discussion est en cours afin de mener un travail de recherche commun, pour le développement d’un nouveau paradigme de design.
 

Courte bio
Andreas Burg a effectué son diplôme d’ingénieur en électronique en 2000 à l’EPFZ, où il a continué ses études au sein du Laboratoire de systèmes intégrés. En 2006, il a réalisé une thèse sur les systèmes intégrés à grande échelle (VLSI) pour les systèmes de communication entrées-multiples sorties-multiples (MIMO). Pendant ses études, il a été chercheur invité au Bell Labs-Lucent Technologies à Holmdel, USA. En 2007, il a co-fondé avec trois de ses collègues la start-up Celestrius SA, spécialisée dans les applications industrielles pour les systèmes de communication MIMO. De 2007 à 2009, il a travaillé en tant que post-doctorant à l’EPFL, et en tant que directeur de VLSI à Celestrius. En 2009, grâce au soutien du Fonds national suisse, il devient professeur assistant et chef du groupe Signal Processing Circuits and Systems au sein du Laboratoire des systèmes intégrés à l’EPFZ. Il est depuis 2011 Professeur Assistant Tenure Track à l’Institut de génie électrique et électronique, où il dirige le Laboratoire de circuits pour télécommunications (LTC).

Article par Laure-Anne Pessina
Photos par Alban Kakulya