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Des chercheurs réalisent un processeur RISC-V 16 bits en nanotubes de carbone
Un exploit en dépit des performances limitées

Le , par dourouc05

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Le carbone est promis à un bel avenir depuis des années, ses différentes formes ayant des propriétés tout à fait hors du commun. Par exemple, le diamant est le matériau le plus solide que l'on ait trouvé, le graphite sert pour les mines de crayon. En électronique, on parle plutôt du graphène, qui a des propriétés semi-conductrices et pourrait remplacer le silicium. Les chercheurs s'intéressent aussi aux nanotubes de carbone, qui transmettent le courant électrique de manière remarquable.

La dernière application en date des cristaux de carbone est la réalisation d'un processeur, mais pas avec du graphène : avec des nanotubes de carbone. C'est l'exploit qu'a réalisé une équipe du MIT et de Analog Devices : un processeur avec seize bits d'adresse mémoire et des instructions de trente-deux bits, utilisant le jeu d'instructions RISC-V, avec un total de quatorze mille transistors. On pourrait déjà imaginer utiliser ce processeur dans des applications réelles, si toutefois il n'était pas si lent : ce processeur ne fonctionne qu'à une fréquence de… dix kilohertz ! Même l'Intel 8086, le premier processeur x86, sorti en 1978, fonctionnait à une fréquence de cinq mégahertz, presque mille fois plus élevée (avec un peu moins de trente mille transistors).


Le problème d'un processeur est qu'il requiert des propriétés semi-conductrices : on encode l'information sur la possibilité qu'a le courant de passer. Pour simplifier : il passe, c'est un 1 ; il ne passe pas, c'est un 0. Or, contrairement au graphène, les nanotubes n'ont pas toujours cette propriété semi-conductrice : lors de leur production, on obtient autant de nanotubes métalliques (conducteurs) que semi-conducteurs. Ces derniers doivent être purifiés avant toute utilisation, mais les techniques actuelles ne permettent pas de monter à plus de 99,9 % de nanotubes semi-conducteurs. En l'état, on ne peut pas réaliser un grand circuit électronique : avec des millions de nanotubes, on se retrouve vite avec des milliers de nanotubes conducteurs qui risquent de fausser le fonctionnement du circuit. L'équipe de chercheurs a donc décidé de "faire avec".

De plus, on ne connaît pas encore de procédé permettant la croissance de nanotubes de carbone de manière précise : il faut donc les déposer sur une surface et tenter d'influencer leur position. En général, ils se positionnent n'importe comment : il est impossible de prévoir leur orientation ; à certains endroits, d'ailleurs, les nanotubes ont tendance à s'accumuler. Les chercheurs ont d'abord utilisé une couche d'un autre métal par-dessus les nanotubes, une couche retirée par des ondes sonores (sonication). Ainsi, les agrégats sont retirés en laissant intacte la fine couche de nanotubes. Et pour la question de l'orientation ? À nouveau, les chercheurs "font avec" : ces nanotubes sont déposés sur un substrat de silicium où une base est déjà fabriquée pour le processeur, notamment avec des écarts : les nanotubes sont utilisés pour réaliser les jonctions ; si ces écarts sont suffisamment grands, il y aura bien assez de nanotubes pour réaliser la jonction.

Ensuite, les chercheurs ont étudié les portes logiques traditionnelles (NOT, AND, OR, etc.), utilisées pour réaliser tous les circuits électroniques (bien que, souvent, seule la porte NAND soit utilisée, puisqu'elle permet de réaliser toutes les autres). Ils ont remarqué que toutes ne se comportaient pas de la même manière selon la présence de nanotubes métalliques : certaines voyaient leur comportement entièrement modifié par la présence d'un seul nanotube conducteur, d'autres presque pas. Chaque fonction pouvant être réalisée de différentes manières, ils ont recherché la manière de synthétiser chaque opération en utilisant uniquement des portes logiques qui se comportent bien avec des imperfections dans les nanotubes.

Ce procédé de fabrication est toujours assez expérimental, mais n'utilise que des étapes traditionnelles dans la fabrication de processeurs : la production à grande échelle pourrait se faire assez rapidement. Le seul problème étant la performance : à dix kilohertz, le processeur est inutilisable, peu importe l'application. Les améliorations promettent d'être difficiles à réaliser, vu qu'il faut toujours un certain nombre de nanotubes par transistor (vu leur positionnement anarchique et la présence de nanotubes métalliques). En attendant, la réduction de taille se heurtera vite à des limites physiques. La production de nanotubes semi-conducteurs sans imperfection permettrait de n'utiliser qu'un nanotube par transistor, mais la recherche en est toujours loin. Malgré leurs promesses de réduction de consommation d'énergie, notamment, les nanotubes de carbone ne semblent donc pas encore prêts pour une utilisation en masse.

Plus de détails : Modern microprocessor built from complementary carbon nanotube transistors.

Voir aussi :

Une filiale d'Alibaba annonce l'arrivée d'une puce RISC-V à 16 cœurs qui sera utilisée pour la 5G, l'IA et l'Internet des objets
La fondation RISC-V annonce la ratification des spécifications ISA de base RISC-V et de l'architecture privilégiée

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Avatar de walfrat
Membre actif https://www.developpez.com
Le 30/08/2019 à 9:20
Il est vrai qu’aujourd’hui nous avons des architectures processeurs mais aussi carte graphique très évolués qui permettent de repoussé les performances encore plus hautes que la simple puissance de calcul.

Ainsi les machines destiné au plus grand nombre (type "desktop", que ce soit particulier ou poste "classique" dans une entreprise) pourrait très bien dans un futur plus ou moins proche reposé sur des matériaux plus courant et peut-être aussi plus durable. Ce serait vraiment intéressant en termes de transition écologique.
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Avatar de Ryu2000
Membre extrêmement actif https://www.developpez.com
Le 30/08/2019 à 9:03
Citation Envoyé par ShigruM Voir le message
je n'ai pas besoin de processeur plus puissant
Je ne crois pas que le projet soit de dépasser ce qui existe déjà.
Citation Envoyé par dourouc05 Voir le message
La dernière application en date des cristaux de carbone est la réalisation d'un processeur, mais pas avec du graphène : avec des nanotubes de carbone. C'est l'exploit qu'a réalisé une équipe du MIT et de Analog Devices : un processeur avec seize bits d'adresse mémoire et des instructions de trente-deux bits, utilisant le jeu d'instructions RISC-V, avec un total de quatorze mille transistors. On pourrait déjà imaginer utiliser ce processeur dans des applications réelles, si toutefois il n'était pas si lent : ce processeur ne fonctionne qu'à une fréquence de… dix kilohertz ! Même l'Intel 8086, le premier processeur x86, sorti en 1978, fonctionnait à une fréquence de cinq mégahertz, presque mille fois plus élevée (avec un peu moins de trente mille transistors).
Il y avait plus puissant en 1978.

Je pense que des scientifiques cherchent des alternatives à certains matériaux qui sont utilisés aujourd'hui.
Il y a des matériaux qui se raréfient et qui vont coûter de plus en plus cher. (je crois que le silicium est abondant, mais ce ne sera peut-être plus le cas à long terme)
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Avatar de chrtophe
Responsable Systèmes https://www.developpez.com
Le 31/08/2019 à 9:28
sauf que l'usager moyen s'en fou de ta puissance. Cela fais bien 10ans que les gens arrête d'acheter des pc et se contente de smartphones basse consommation (et basse performance).
Et enfin comme j'ai dit, il faut commencer par exploiter le software avant le hardware, car on peut y gagner beaucoup !
J'ai de la peine en voyant des smartphones android avec 8Go de ram..
Même si l'usager moyen s'en fout de la puissance, c'est son appareil qui en a besoin pour supporter des systèmes de plus en plus lourd, même s'il n'utilise que 10% des capacités de l'appareil. Et si un smartphone qui est avant tout un téléphone ne servait qu'à téléphoner on pourrait effectivement s'en foutre.

Il y a une époque ou effectivement on optimisait les choses, et ou un OS, l'application, et les données pouvait tenir sur une disquette; ce n'est plus le cas actuellement. Comme les nouvelles versions doivent sortir rapidement, que le temps et les ressources de développement c'est de l'argent, qu'on a des machines puissantes, on optimise pas.
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Avatar de chrtophe
Responsable Systèmes https://www.developpez.com
Le 30/08/2019 à 11:43
es ce important ?
je n'ai pas besoin de processeur plus puissant, aujourd'hui un simple I5 4coeurs suffit pour toute nos taches quotidienne
Ouî c'est important, le jour ou cette technologie devient exploitables, la puissance des supercalculateurs sera décuplée.

Pour un usage particulier, ceci permettra en caricaturant permettre d'avoir la puissance d'une machine sous Ryzen dans un appareil de la taille d'une carte de crédit par exemple.
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Avatar de Steinvikel
Membre expérimenté https://www.developpez.com
Le 30/08/2019 à 21:14
Citation Envoyé par Ryu2000 Voir le message
Je pense que des scientifiques cherchent des alternatives à certains matériaux qui sont utilisés aujourd'hui.
Outre le prix par la rareté, il y a le prix par le traitement, un matériau peut être abondant et nécessiter des étapes de purification très couteuses --> silicium : bassin à température de fusion pour en faire un cylindre à la manière d'une guimauve. --> charbon actif : très haute température pour le déshydrater, le fractionner, le rendre le plus poreux possible
Le plus coûteux dans les procédés, c'est souvent en parti leur besoins énergétique avant usage (avant d'être prêt à l'emploi), pendant usage (condition nécessaire à l'emploi), et après usage (condition de stabilisation des réactions) ...ensuite seulement, on peut dire : le produit X est fait d'un certain matériau, qui coûte tant (coût global)
C'est ce qui fait qu'une bouteille en verre coûte plus cher qu'une bouteille en plastique (en plus du fait qu'en verre ça nécessite plus de matériau en quantité

Citation Envoyé par abriotde Voir le message
C'est vrai aujourd'hui mais il y a 50 ans tu aurais dis, j'ai pas besoin d'ordinateur et il y a 60 ans, j'ai pas besoin de téléphone....
Demain ton téléphone portable devra avoir de l'intelligence artificiel pour te répondre sans avoir besoin que Google possède toute ta vie. Alors il faudra bien que tu ai un téléphone plus puissant. Un processeur IA est très consommateur... De plus améliorer les transistors c'est aussi améliorer les mémoires...
L'idée est vraie, mais en pratique c'est un peu mensonger :
le téléphone d'il y a 60 ans ne faisait que téléphoner, point ...pas de contact enregistré, pas de messagerie vocale, et il était fixe. Aujourd'hui, il intègre tout ça plus des fonctionnalité réseau, et tout un tas d'options, de fonctionnalités, et d'outils que seul 1 personne sur 100 emploi.
Pour la téléphonie mobile (là où le besoin de puissance de calcul est le plus fort), en plus de tout ça, ton téléphone fait tourner une myriade de chose qui te sont INUTILE, juste là "au cas où", on te demande pas ton avis, et puis d'autres tournent délibérément pour pomper tes donner, ou garantir la main à Google ou au constructeur.
Si ton smartphone ne faisait que le stricte nécessaire (téléphoner, sms, boite vocale, carnet de contact), nul doute qu'un processeur d'il y a 10 ans serait amplement suffisant, même d'entrée de gamme. Ce qui a amplifié cette obsolescence par la puissance, c'est l'usage inconscient d'une multitude de programmes non désirés, l'usage d'outils toujours plus nombreux et toujours plus "accessoires", bref, l'usage d'un téléphone comme si c'était un PC, plutôt qu'un téléphone pour ce qu'il est mais épaulé d'une tablette (par exemple).

Quand on y regarde de plus près sur l'usage des téléphone, on s’aperçoit qu'il y a de nombreux mésusages, adjoints d'une mauvaise organisation, et qu'au final, cette apparenta facilité, est parfois plus facile lorsque proposé sur un autre appareil que son téléphone principal (ex: un 2e téléphone, une tablette, un PDA -oui, ça existe encore-, un PC portable, etc.). Le tout en un n'est pas toujours la meilleur solutions.

Citation Envoyé par abriotde Voir le message
Le processeur graphène ce n'est pas parce que le silicium coûte cher, c'est parce qu'il est bien meilleur conducteur électronique donc qu'il peut consommer moins, c'est aussi qu'il est meilleur conducteur thermique et donc peut mieux évacuer la chaleur donc fonctionner à plus haute fréquence (plus rapidement), mais c'est surtout qu'il emprisonne les électrons en 3D dans un tout petit espace permettant des processeur 3D beaucoup plus efficace au lieu de se contenter de galette (même superposer les couches est inefficaces), il est aussi moins sensible a l'effet tunnel car les électrons sont bien emprisonner, ce qui permet de réduire la taille sans courant de fuite (autrement dis sans court-circuit)
+1
complément : le premier frein à l'escalade de la puissance de calcul, c'est l'instabilité que crée l'accumulation de chaleur.
La chaleur provient essentiellement des transition d'état des transistors de "actif" vers "innactif", se qui occasionne durant un très bref instant une sorte de court-circuit ...ce qui fait chauffer le transistor. Plus la fréquence est élevé, plus cela survient durant chaque seconde. On rapproche l'augmentation de ce phénomène d'échauffement avec le ^2 de la fréquence (comprendre : l'échauffement augmente plus vite que la fréquence).

Une puce en silicium de CPU classique ressemble (dans une coupe verticale) à un très fin film logique (coeur, mémoire, contrôle machin, etc) sur lequel est branché une énorme couche de routage électrique (cuivre/or), plus de 100 fois plus épaisse que celle d'en bas.
Un nanotube de carbone permet une "résistivité" bien plus faible que le câblage actuel, et permet donc d'atteindre de meilleur performance avec moins de perte, et des effet parasite moindres. Leur manière de conduire l'électricité (plusieurs facteurs entrent en jeux pour la conduction total d'un matériaux), permet d'en faire des "tuyaux" plus imperméables.
Bref, vous l'aurez compris,ça augure une petite révolution :
- amélioration intrinsèque des capacités de routage (longueur des fil maximum, immunité aux bruit, vitesse de propagation, intensité du courant, fréquence limite, tension, dissipation parasite de chaleur...)
- diminution des espacements nécessaires --> miniaturisation
- augmentation du routage calorifique --> repousse les seuils maximum d'opérativité

On peut également comprendre que la "grille" présente dans les transistors présente, lorsqu'elle est en un ou plusieurs nanotube superposé, des propriété proche de la perfection... et donc moins de courant de fuite, moins d'échauffement (court-circuit indexé sur la fréquence), moins sensible au bruit électrique (plusieurs grille empilées), etc.

Selon moi, le futur des production de masse du graphène en plan ou des nanotube, est sur la fabrication "auto-assemblé" de ses structures.

Il y a plein d'avancées qui augurent de bonnes choses (faut bien les vendre ces brevets !) x)
PS 1 : contexte (2017) --> une base en or (qui fait thermostat), sur laquelle se trouve un cristal de nitrure de bore d'une dizaine de nanomètre d'épaisseur, puis dessus, du graphène
en réalisant un transistor à base de graphène déposé sur un substrat de nitrure de bore, des physiciens du Laboratoire Pierre Aigrain (CNRS/ENS/UPMC/Univ. Paris Diderot) ont mis à jour un nouveau mécanisme de refroidissement 10 fois plus efficace que la simple diffusion de la chaleur (une histoire de polaritons hyperboliques). Ce nouveau mécanisme, qui exploite la nature bidimensionnelle des matériaux ouvre un véritable "pont thermique" entre le graphène et le substrat. Les chercheurs ont démontré l'efficacité de ce mécanisme en faisant circuler dans le graphène des niveaux de courant électrique encore inexplorés, à la limite intrinsèque du matériau et cela sans aucune dégradation du dispositif. Ce résultat, publié dans Nature Nanotechnology, constitue un pas important vers le développement de transistors électroniques haute-fréquence à base de graphène.
Leur première surprise a été d'observer que seuls les électrons s'échauffent, épargnant ainsi la structure cristalline du matériau (la base en nitrure de bore). Les chercheurs ont ensuite observé l'allumage d'un mécanisme de refroidissement des électrons ultra-efficace au-delà d'un seuil de tension. Ils ont expliqué ce phénomène par l'anisotropie diélectrique de la couche de nitrure de bore.


PS 2 : contexte (2008) --> transistor FET (à effet de champs)
En plaçant deux couches de graphène l'une au dessus de l'autre, les chercheurs d'IBM ont découvert que le facteur de bruit est divisé par un facteur 10. Ils ont obtenu les deux couches de graphène par exfoliation mécanique à partir d'un morceau de graphite.

Citation Envoyé par walfrat Voir le message
(...) les machines destiné au plus grand nombre (type "desktop", que ce soit particulier ou poste "classique" dans une entreprise) pourrait très bien dans un futur plus ou moins proche reposer sur des matériaux plus courants et peut-être aussi plus durables. Ce serait vraiment intéressant en termes de transition écologique.
+1
D'autant plus que le desktop "classique" n'a pas vraiment besoin d'un surplus de capacité de calcul, juste une pérennité de ses performances à l'achat ...bon ok, l'évolution des architectures et du codage, fait que ça dure pas aussi longtemps que l'on voudrait. ^^'
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Avatar de ShigruM
Nouveau Candidat au Club https://www.developpez.com
Le 31/08/2019 à 8:12
Citation Envoyé par chrtophe Voir le message
Ou c'est important, le jour ou cette technologie devient exploitables, la puissance des supercalculateurs sera décuplée.

Pour un usage particulier, ceci permettra en caricaturant permettre d'avoir la puissance d'une machine sous Ryzen dans un appareil de la taille d'une carte de crédit par exemple.
sauf que l'usager moyen s'en fou de ta puissance. Cela fais bien 10ans que les gens arrête d'acheter des pc et se contente de smartphones basse consommation (et basse performance).

Si au début de l'informatique les gens achetait de la puissance, ce n'est plus le cas aujourd'hui car le besoin à stagné, et meme sur smartphone le besoin stagne et les gens renouvelle moins souvent.
Je pense qu'aujourd'hui limite seul l'amélioration photo pousse les gens a racheter de nouveaux téléphones.

Et enfin comme j'ai dit, il faut commencer par exploiter le software avant le hardware, car on peut y gagner beaucoup !
J'ai de la peine en voyant des smartphones android avec 8Go de ram...
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Avatar de Ryu2000
Membre extrêmement actif https://www.developpez.com
Le 31/08/2019 à 10:25
Citation Envoyé par ShigruM Voir le message
Cela fais bien 10ans que les gens arrête d'acheter des pc et se contente de smartphones basse consommation (et basse performance).
Ouais bof, il y a 10 ans les smartphones avaient 256 Mo de RAM :
Rétrotech : les meilleurs smartphones de 2009
Les capteurs photos étaient de 3,2 Mpx.
Il y avait des définitions de 360 x 640 pixels.

Aujourd'hui il y a des smartphones comme le Huawei P30 Pro, avec 3 capteurs photos (40 Mpx, 8 Mpx, 20 Mpx), 8 Go de RAM, 8 cœurs à 2.6 GHz, une définition de 2340 x 1080 px.
Ça semble surpuissant pour l'utilisation que les gens en font, mais je sais pas, peut-être que ça sert vraiment à quelque chose.

La technologie avance toujours.
Un jour t'es tranquille à jouer à Age Of Empires II en 640x480 ou 800x600 avec un processeur monocœur de 32 bits à 400 MHz et 64 Mo de SDR et bientôt les gens joueront à Age Of Empires II en 3840 x 2160 pixels :
Configuration minimale:
  • CPU: 1.8 Ghz+ Dual Core or greater i5 or AMD equivalent
  • RAM: 4 GB
  • GPU: 1 GB, Intel HD 4000 or better (16 or more Execution Units)
  • DX: DirectX 11
  • OS: Windows 10 64-bit


Configuration recommandée:
  • CPU: 2.4 Ghz i5 or greater (4 HW threads)
  • RAM: 16 GB
  • GPU: GPU: 2 GB, Nvidia GTX 650; AMD HD 5850
  • DX: DirectX 11
  • OS: Windows 10 64-bit


De base c'était :
Configuration minimale : Pentium 166, 32 Mo RAM, Carte SVGA
Configuration conseillée : Pentium II 300, 64 Mo RAM, Carte SVGA 4 Mo.

Il y a toujours des améliorations technologiques.
Maintenant les gens mettent des SSD au format M.2 pour installer leur OS, le débit c'est genre : Lecture max : 3500 Mo/s - Ecriture max : 3200 Mo/s.
Les processeurs ont 8 cœurs à 4 GHz, les cartes graphiques ont 8 Go de DDR6.
Peut-être qu'un jour la réalité virtuelle deviendra grand public et du coup ça motivera les consommateurs à avoir de grosses config.
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Avatar de Washmid
Membre averti https://www.developpez.com
Le 30/08/2019 à 14:23
Citation Envoyé par Ryu2000 Voir le message
Il y a des matériaux qui se raréfient et qui vont coûter de plus en plus cher. (je crois que le silicium est abondant, mais ce ne sera peut-être plus le cas à long terme)
Wikipedia : C'est l'élément le plus abondant dans la croûte terrestre après l'oxygène, soit 25,7 % de sa masse.

https://fr.wikipedia.org/wiki/Silicium
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Avatar de abriotde
Membre expérimenté https://www.developpez.com
Le 30/08/2019 à 14:29
je n'ai pas besoin de processeur plus puissant
C'est vrai aujourd'hui mais il y a 50 ans tu aurais dis, j'ai pas besoin d'ordinateur et il y a 60 ans, j'ai pas besoin de téléphone....
Demain ton téléphone portable devra avoir de l'intelligence artificiel pour te répondre sans avoir besoin que Google possède toute ta vie. Alors il faudra bien que tu ai un téléphone plus puissant. Un processeur IA est très consommateur... De plus améliorer les transistors c'est aussi améliorer les mémoires...

Le processeur graphène ce n'est pas parce que le silicium coûte cher, c'est parce qu'il est bien meilleur conducteur électronique donc qu'il peut consommer mois, c'est aussi qu'il est meilleur conducteur thermique et donc mieux évacuer la chaleur donc fonctionner a plus haute fréquence (plus rapidement), mais c'est surtout qu'il emprisonne les électrons en 3D dans un tout petit espace permettant des processeur 3D beaucoup plus efficace au lieu de se contenter de galette (même superposer les couches est inefficaces), il est aussi moins sensible a l'effet tunnel car les électrons sont bien emprisonner, ce qui permet de réduire la taille sans courant de fuite (autrement dis sans court-circuit)
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Avatar de Steinvikel
Membre expérimenté https://www.developpez.com
Le 29/09/2019 à 16:05
là oú on va vraiment s'amuser, c'est quand les CPU embarqueront 1 Go de cache... je te raconte pas la fluidité et la réactivité que permettront certains jeux. ^^'
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