Percée chinoise dans le domaine des puces analogiques : 1 000 fois plus rapide que le GPU de Nvidia, la puce résout un "problème centenaire" en traitant les informations grâce à des courants électriques continus dans ses circuits physiquesDes chercheurs chinois de l'université de Pékin ont mis au point une puce analogique révolutionnaire qui surpasse jusqu'à 1 000 fois les GPU haut de gamme, tels que ceux de Nvidia et AMD. Cette innovation, détaillée dans la revue Nature Electronics, résout des problèmes de longue date dans le domaine du calcul analogique, offrant une vitesse et une efficacité énergétique inégalées pour les technologies d'intelligence artificielle (IA) et de la 6G en traitant les informations directement au sein des circuits de la puce.
Des chercheurs chinois ont dévoilé une puce analogique révolutionnaire qui promet de bouleverser le monde de l'informatique, avec des performances potentiellement 1 000 fois supérieures à celles des processeurs graphiques haut de gamme (GPU) des géants du secteur tels que Nvidia et AMD. Cette innovation développée par l'université de Pékin répond à un défi de longue date dans le domaine de l'informatique analogique, tout en s'attaquant aux goulots d'étranglement critiques en matière d'énergie et de données dans des domaines émergents tels que l'IA et la technologie 6G.
Publiée dans Nature Electronics, l'étude détaille en quoi ce nouveau dispositif, basé sur des cellules de mémoire vive résistive (RRAM), marque une avancée significative. Contrairement aux processeurs numériques traditionnels qui fonctionnent à l'aide de 1 et de 0 binaires, cette puce analogique traite les informations grâce à des courants électriques continus au sein de ses circuits physiques. Cette différence fondamentale lui permet d'effectuer des calculs directement sur son matériel, éliminant ainsi le transfert de données énergivore généralement nécessaire entre un processeur et des sources de mémoire externes.
Une vitesse et une efficacité sans précédent pour l'IA et la 6G
Les performances de la puce sont particulièrement impressionnantes dans le cadre de problèmes de communication complexes, notamment les défis liés à l'inversion matricielle qui sont courants dans les systèmes sans fil MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) à grande échelle. Dans ces scénarios exigeants, l'équipe de l'université de Pékin a indiqué que sa puce analogique offrait la même précision que les processeurs numériques standard tout en consommant environ 100 fois moins d'énergie. Des optimisations supplémentaires ont permis d'augmenter ses performances jusqu'à atteindre une vitesse 1 000 fois supérieure à celle des GPU haut de gamme tels que le Nvidia H100 et l'AMD Vega 20, des puces essentielles pour l'entraînement de modèles d'IA avancés tels que ChatGPT.
Les chercheurs soulignent que les ordinateurs numériques sont de plus en plus mis à rude épreuve par les énormes quantités de données requises par les applications modernes, d'autant plus que la miniaturisation traditionnelle des appareils devient plus difficile. Leur approche de l'informatique analogique offre une alternative convaincante, avec un débit nettement supérieur et une efficacité énergétique supérieure pour des niveaux de précision comparables.
Comparaison du débit de calcul (c) et de l'efficacité énergétique
(d) des processeurs AMC (Analogue matrix computing) et des processeurs numériques de pointe, à savoir deux GPU et un ASIC. La même précision de calcul (FP32) a été maintenue pour tous les candidats.
Résoudre le « problème centenaire » de l'informatique analogique
Bien que l'informatique analogique ait une longue histoire, remontant à plus de 2 000 ans avec des dispositifs tels que le mécanisme d'Anticythère, son adoption généralisée a été entravée par des problèmes de précision et de praticité. Les systèmes numériques, avec leurs états binaires stables, ont toujours offert un meilleur contrôle et une plus grande précision.
Cependant, les systèmes analogiques excellent intrinsèquement en termes de vitesse et d'efficacité. En représentant les calculs sous forme d'opérations physiques sur les circuits de la puce plutôt que sous forme de longs codes binaires, ils peuvent gérer simultanément de grands volumes d'informations avec une consommation d'énergie nettement moindre. Cet avantage intrinsèque est désormais essentiel pour les applications gourmandes en données et en énergie, telles que l'IA et les futurs réseaux 6G, qui exigent un traitement en temps réel de flux de données massifs et superposés.
La percée réside dans la configuration des cellules RRAM en un système unique à deux circuits : l'un pour les calculs rapides et approximatifs, l'autre pour le raffinement itératif, améliorant ainsi la précision. Cette conception innovante combine avec succès la vitesse inhérente au calcul analogique et la précision généralement associée au traitement numérique.
Application de HP-INV (high precision matrix inversion) à la détection ZF dans le MIMO massif. (a) Illustration d'un système MIMO massif avec M antennes BS (base station) et K antennes UE (user equipment). À titre d'exemple, une image binarisée 100 × 100 de l'emblème de l'université de Pékin est transmise dans le sens montant d'un MIMO 16 × 4. À chaque fois, chaque antenne UE transmet 8 bits de données binaires, ce qui équivaut à un symbole 256-QAM dans le plan en phase par rapport à la quadrature (I-Q). Les signaux sont transmis via un canal bruité et reçus au niveau de la BS, où le processus de détection récupère le symbole QAM. (b) Images récupérées par détection ZF. De gauche à droite, l'image est obtenue par l'INV analogique classique sans raffinement itératif, l'HP-INV avec un cycle d'itération et l'HP-INV avec deux cycles d'itération. Notez qu'au cycle 2, l'image reçue est déjà identique à l'image d'origine.
Potentiel de production de masse et perspectives d'avenir
Il est essentiel de noter que cette puce analogique avancée a été développée à l'aide d'un processus de production commercial, ce qui suggère un fort potentiel de fabrication en série. Ce facteur pourrait accélérer considérablement son intégration dans divers secteurs technologiques.
À l'avenir, l'équipe de l'université de Pékin souhaite améliorer encore les circuits de la puce afin d'en augmenter les performances. Son objectif immédiat est de développer des puces plus grandes et entièrement intégrées, capables de traiter des problèmes informatiques encore plus complexes à des vitesses sans précédent. Cette avancée pourrait marquer le début d'une nouvelle ère dans le domaine de l'informatique haute performance et économe en énergie, ouvrant la voie à la prochaine génération de technologies d'IA et de communication.
Source : Etude de l'université de Pékin, Chine
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