Rêves de machines

Il y a un sanctuaire à l'intérieur du siège social de Hewlett-Packard à Palo Alto, au cœur de la Silicon Valley. À un bord du bâtiment de recherche de HP, deux pièces communicantes avec des meubles usés du milieu du siècle, vacants depuis des décennies, sont soigneusement préservées. Depuis ces bureaux, William Hewlett et David Packard ont amené les ingénieurs de HP à inventer des produits révolutionnaires, comme la calculatrice programmable de 40 livres de la taille d'une machine à écrire lancée en 1968.

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Cette histoire faisait partie de notre numéro de mai 2015

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À l'ère actuelle des smartphones et du cloud computing, les produits de base de HP pourraient également sembler obsolètes avant longtemps. Les revenus et les bénéfices ont considérablement chuté ces dernières années, plongeant l'entreprise dans la crise. HP est principalement soutenu par les ventes de serveurs, d'imprimantes et d'encre (ses PC et ordinateurs portables contribuent à moins d'un cinquième des bénéfices totaux). Mais les entreprises ont moins besoin de serveurs maintenant qu'elles peuvent se tourner vers des services cloud gérés par des entreprises comme Amazon, qui achètent leur matériel auprès de fournisseurs moins chers que HP. Les consommateurs et les entreprises comptent beaucoup moins sur les imprimantes qu'auparavant et ne s'attendent pas à les payer cher.

HP a supprimé plus de 40 000 emplois depuis 2012 et se divisera en deux entreprises plus petites mais également en difficulté plus tard cette année (une opération qui coûtera elle-même près de 2 milliards de dollars). HP Inc. vendra des imprimantes et des PC ; Hewlett Packard Enterprise proposera des serveurs et des services informatiques aux entreprises. Cette dernière société dépendra largement d'une division dont le chiffre d'affaires annuel a chuté de plus de 6% entre 2012 et 2014. Les bénéfices ont diminué encore plus rapidement, de plus de 20%. IBM, le plus proche rival de HP, a vendu l'année dernière son activité de serveurs au chinois Lenovo sous des pressions similaires.

Et pourtant, au milieu de cette crise potentiellement existentielle, HP Enterprise travaille sur un projet de recherche risqué dans l'espoir de provoquer un retour remarquable. Près des trois quarts des personnes de la division de recherche de HP se consacrent désormais à un seul projet : un nouveau type d'ordinateur puissant connu sous le nom de Machine. Cela remanierait fondamentalement le fonctionnement des ordinateurs, les rendant plus simples et plus puissants. Si cela fonctionne, le projet pourrait tout mettre à niveau de manière spectaculaire, des serveurs aux smartphones, et sauver HP lui-même.

Les gens vont pouvoir résoudre des problèmes qu'ils ne peuvent pas résoudre aujourd'hui, déclare Martin Fink, directeur de la technologie chez HP et instigateur du projet. La Machine donnerait aux entreprises le pouvoir de s'attaquer à des ensembles de données beaucoup plus volumineux et plus complexes que ceux qu'elles peuvent gérer aujourd'hui, dit-il, et d'effectuer des analyses existantes peut-être des centaines de fois plus rapidement. Cela pourrait conduire à des avancées dans toutes sortes de domaines où l'analyse de l'information est importante, comme la médecine génomique, où des machines de séquençage génétique plus rapides produisent une surabondance de nouvelles données. Selon Fink, la Machine nécessitera beaucoup moins d'électricité que les ordinateurs existants, ce qui permettra de réduire considérablement les lourdes factures d'énergie générées par les entrepôts d'ordinateurs derrière les services Internet. Le nouveau modèle informatique de HP est également destiné à s'appliquer aux gadgets plus petits, permettant aux ordinateurs portables et aux téléphones de durer beaucoup plus longtemps avec une seule charge.

Il serait surprenant pour n'importe quelle entreprise de réinventer la conception de base des ordinateurs, mais surtout pour HP de le faire. Elle a supprimé des emplois de recherche dans le cadre d'efforts de réduction des effectifs il y a dix ans et dépense beaucoup moins en recherche et développement que ses concurrents : 3,4 milliards de dollars en 2014, soit 3 % de ses revenus. En comparaison, IBM a dépensé 5,4 milliards de dollars - 6% de ses revenus - et a une tradition beaucoup plus longue du type de recherche fondamentale en physique et en informatique que la création du nouveau type d'ordinateur nécessitera. Pour que le rêve de la machine de Fink se réalise pleinement, les ingénieurs de HP doivent créer des systèmes de lasers qui s'intègrent dans des puces informatiques de la taille d'un doigt, inventer un nouveau type de système d'exploitation et perfectionner un appareil électronique pour stocker des données qui n'ont jamais été utilisées auparavant dans les ordinateurs. .

Réussir serait un exploit virtuose de l'ingénierie informatique et d'entreprise.

Nouveau plan

En 2010, Fink dirigeait la division HP qui vend des serveurs d'entreprise de grande puissance et se sentait un peu paranoïaque. Les clients affluaient vers les startups proposant un stockage de données basé sur des puces de mémoire flash rapides et économes en énergie comme celles des smartphones. Mais HP ne vendait que la technologie de stockage établie plus lente des disques durs. Nous n'avons pas réagi assez agressivement, dit Fink. J'étais frustré que nous ne pensions pas assez loin dans le futur.

Essayant de voir un moyen de faire un bond en avant, il s'est demandé : pourquoi ne pas utiliser de nouvelles formes de mémoire non seulement pour mettre à niveau le stockage des données, mais pour réinventer entièrement les ordinateurs ? Fink savait que les chercheurs de HP et d'ailleurs travaillaient sur de nouvelles technologies de mémoire qui promettaient d'être beaucoup plus rapides que les puces flash. Lui et son conseiller technique en chef ont élaboré un plan qui utiliserait ces technologies pour rendre les ordinateurs beaucoup plus puissants et économes en énergie.

Un article interne sur cette idée, avec le titre d'entreprise Unbound Convergence, n'est allé nulle part. Mais lorsque Fink a été nommé directeur de la technologie de HP et directeur des laboratoires HP deux ans plus tard, il a vu une chance de ressusciter sa proposition. Quand j'ai regardé toutes les équipes de Labs, j'ai pu voir que les pièces étaient là, dit-il. En particulier, HP travaillait sur un concurrent au flash, basé sur un appareil appelé le memristor. Bien que le memristor soit encore en développement, il semblait à Fink qu'il serait un jour assez rapide et stockerait suffisamment de données pour rendre son plan réalisable. Il a mis à jour sa proposition précédente et a donné à l'ordinateur un nom qu'il pensait être temporaire : la Machine. C'est coincé.

The Machine est une tentative de mise à jour de la conception qui a défini les entrailles des ordinateurs depuis les années 1970. Essentiellement, les ordinateurs font constamment la navette entre les différents éléments matériels contenant des informations. L'un, connu sous le nom de stockage, conserve vos photos et documents ainsi que le système d'exploitation de l'ordinateur. Il se compose de disques durs ou de puces de mémoire flash, qui peuvent contenir beaucoup de données dans un petit espace et les conserver sans alimentation (les ingénieurs l'appellent mémoire non volatile). Mais les disques durs et les puces flash lisent et écrivent des données très lentement par rapport à la vitesse à laquelle le processeur d'un ordinateur peut y travailler. Lorsqu'un ordinateur doit faire quelque chose, les données doivent être copiées dans la mémoire à court terme, qui utilise une technologie 10 000 fois ou plus plus rapide : la DRAM (mémoire dynamique à accès aléatoire). Ce type de mémoire ne peut pas stocker les données de manière très dense et devient vide lorsqu'il est éteint.

Le système de stockage et de mémoire à deux niveaux signifie que les ordinateurs passent beaucoup de temps et d'énergie à déplacer des données dans les deux sens juste pour se mettre en position de les utiliser. C'est pourquoi votre ordinateur portable ne peut pas démarrer instantanément : le système d'exploitation doit être récupéré du stockage et chargé en mémoire. Une contrainte sur la durée de vie de la batterie de votre smartphone est son besoin de dépenser de l'énergie pour maintenir les données en vie dans la DRAM même lorsqu'il est inactif dans votre poche.

Cela peut être un simple ennui pour vous, mais c'est un casse-tête coûteux pour les personnes travaillant sur des ordinateurs qui font le genre de calcul puissant qui devient si important dans toutes sortes d'industries, dit Yuan Yuan Zhou , professeur à l'Université de Californie à San Diego, qui étudie les technologies de stockage. Les personnes travaillant sur des problèmes gourmands en données sont limitées par l'architecture traditionnelle, dit-elle. HP estime qu'environ un tiers du code d'un logiciel d'analyse de données typique est consacré uniquement à jongler entre le stockage et la mémoire, et non à la tâche à accomplir. Cela ne réduit pas seulement les performances. Devoir transférer des données entre la mémoire et le stockage consomme également beaucoup d'énergie, ce qui est une préoccupation majeure pour les entreprises qui exploitent de vastes ensembles de serveurs, explique Zhou. Des entreprises telles que Facebook dépensent des millions pour essayer de réduire les énormes factures d'électricité de leurs entrepôts d'ordinateurs.

La Machine est conçue pour surmonter ces problèmes en supprimant la distinction entre stockage et mémoire. Une seule grande mémoire de stockage basée sur les memristors de HP contiendra à la fois les données et les rendra disponibles pour le processeur. Combiner mémoire et stockage n'est pas une idée nouvelle, mais il n'existe pas encore de technologie de mémoire non volatile suffisamment rapide pour la rendre pratique, déclare Tsu-Jae King Liu, professeur qui étudie la microélectronique à l'Université de Californie à Berkeley. Liu est un conseiller de Crossbar, une startup travaillant sur une technologie de mémoire de type memristor connue sous le nom de RAM résistive. Elle et une poignée d'autres sociétés développent cette technologie pour remplacer directement la mémoire flash dans les conceptions d'ordinateurs existantes. HP est cependant le seul à dire que ses appareils sont prêts à changer plus radicalement les ordinateurs.

Pour que la Machine fonctionne aussi bien que Fink l'imagine, HP doit créer des puces de mémoire memristor et un nouveau type de système d'exploitation conçu pour utiliser une mémoire géante unique. Le plan de Fink appelle également à deux autres écarts par rapport à la conception informatique habituelle. L'une consiste à déplacer les données entre les processeurs et la mémoire de la machine à l'aide d'impulsions lumineuses envoyées sur des fibres optiques, une alternative plus rapide et plus économe en énergie au câblage métallique. La seconde consiste à utiliser des groupes de puces spécialisées à faible consommation d'énergie, comme celles que l'on trouve dans les appareils mobiles, au lieu de processeurs individuels à usage général. Les processeurs à faible consommation d'énergie, fabriqués par des sociétés telles qu'Intel, peuvent être achetés dans le commerce aujourd'hui. HP doit inventer tout le reste.

Profession principale

Personne n'a construit un système d'exploitation fondamentalement nouveau depuis des décennies. Depuis plus de 40 ans, chaque nouveau système d'exploitation a en fait été construit ou calqué sur celui qui l'a précédé, explique Rich Friedrich, directeur du logiciel système pour la Machine. La recherche académique sur les systèmes d'exploitation a été minime parce que les systèmes existants sont si dominants.

Le travail de Friedrich et de ses collègues sera crucial. Le logiciel doit rassembler les divers composants inhabituels de la Machine dans un système fiable, différent de tout autre ordinateur jamais construit. Le groupe doit également aider à commercialiser cet ordinateur. Si le système d'exploitation ne semble pas attrayant pour les autres entreprises et les programmeurs, les mérites techniques de la machine ne seront pas pertinents. Pour cette raison, HP travaille sur deux nouveaux systèmes d'exploitation en même temps. L'un est basé sur le système Linux largement utilisé et sera publié cet été, avec un logiciel pour émuler le matériel dont il a besoin pour fonctionner. Linux++, comme on l'appelle, ne peut pas tirer pleinement parti de la puissance de la machine, mais sera compatible avec la plupart des logiciels Linux existants, afin que les programmeurs puissent facilement l'essayer. Ceux qui l'aiment pourront passer au deuxième nouveau système d'exploitation de HP, Carbon, qui ne sera pas terminé avant deux ans ou plus. Il sera publié en open source, afin que n'importe qui puisse inspecter ou modifier son code, et est conçu dès le départ pour libérer toute la puissance d'un ordinateur sans division entre le stockage et la mémoire. En partant de zéro, dit Friedrich, ce système d'exploitation supprimera toute la complexité, causée par des années de mises à jour en plus des mises à jour, qui entraîne des plantages et des failles de sécurité.

Des tests avec la chose la plus proche d'une version fonctionnelle de la Machine - une simulation exécutée à l'intérieur d'un cluster de serveurs puissants - donnent une idée de ce que Carbon et le nouvel ordinateur pourraient être en mesure de fournir une fois opérationnels. Lors d'un essai, la machine simulée et un ordinateur conventionnel se sont précipités pour analyser une photo et rechercher une base de données de 80 millions d'autres images pour trouver les cinq qui étaient visuellement les plus similaires. Le serveur HP haute puissance prêt à l'emploi a effectué la tâche en deux secondes environ. La machine simulée n'a eu besoin que de 50 millisecondes.

La gestion de telles tâches des dizaines ou des centaines de fois plus rapidement, avec la même dépense énergétique, pourrait être un avantage crucial à une époque où de plus en plus de problèmes informatiques impliquent d'énormes ensembles de données. Si votre génome est séquencé, il faut des heures à un ordinateur puissant pour affiner les données brutes dans la séquence finale qui peut être utilisée pour scruter votre ADN. Si la Machine réduisait ce processus à quelques minutes, la recherche génomique pourrait progresser plus rapidement et le séquençage pourrait être plus facile à utiliser dans la pratique médicale. Sharad Singhal, qui dirige la recherche sur l'analyse des données chez HP, s'attend à des améliorations particulièrement frappantes pour les problèmes impliquant des ensembles de données sous la forme d'un graphique mathématique, où les entités sont liées par un réseau de connexions, non organisées en lignes et en colonnes. Les exemples incluent les connexions entre les personnes sur Facebook ou entre les personnes, les avions et les sacs transportés par une compagnie aérienne. Et de nouvelles applications folles sont susceptibles d'émerger une fois que la Machine fonctionnera pour de vrai. Des techniques que nous rejetterions comme irréalisables deviennent soudainement pratiques, dit Singhal. Les gens penseront à des façons d'utiliser cette technologie auxquelles nous ne pouvons pas penser aujourd'hui.

Le perfectionnement du memristor est crucial si HP veut exploiter ce potentiel impressionnant. Ce travail est centré dans un petit laboratoire, un étage sous les bureaux des fondateurs de HP, où Stanley Williams a fait une percée il y a une dizaine d'années.

Si tout se passe comme prévu, Hewlett Packard Enterprise aura cinq ans lorsque la première version de la Machine pourra voler à son secours.

Williams avait rejoint HP en 1995 après que David Packard ait décidé que l'entreprise devait faire plus de recherche fondamentale. Il en est venu à se concentrer sur l'essai d'utiliser des molécules organiques pour fabriquer des remplacements plus petits et moins chers pour les transistors en silicium (voir Computing After Silicon, septembre/octobre 1999). Après quelques années, il a pu fabriquer des dispositifs avec le bon type de comportement de type interrupteur en intercalant des molécules appelées rotaxanes entre des électrodes de platine. Mais leur performance était incroyablement erratique. Il a fallu des années de travail supplémentaires avant que Williams ne se rende compte que les molécules n'étaient en fait pas pertinentes et qu'il était tombé sur une découverte majeure. L'effet de commutation provenait d'une couche de titane, utilisée comme colle pour coller la couche de rotaxane aux électrodes. Plus surprenant, les versions des appareils construits autour de ce matériau ont répondu à une prédiction faite en 1971 d'un tout nouveau type d'appareil électronique de base. Lorsque Leon Chua, professeur à l'Université de Californie à Berkeley, a prédit l'existence de cet appareil, l'orthodoxie de l'ingénierie a soutenu que tous les circuits électroniques devaient être construits à partir de seulement trois éléments de base : condensateurs, résistances et inductances. Chua a calculé qu'il devrait y en avoir un quatrième; c'est lui qui l'a nommé le memristor, ou résistance à mémoire. La propriété essentielle de l'appareil est que sa résistance électrique - une mesure de la mesure dans laquelle il inhibe le flux d'électrons - peut être modifiée en appliquant une tension. Cette résistance, une sorte de mémoire de la tension subie par l'appareil dans le passé, peut être utilisée pour coder des données.

Packard et Hewlett en 1964.

La dernière manifestation HP du composant est simple : juste un empilement de films minces de dioxyde de titane de quelques nanomètres d'épaisseur, pris en sandwich entre deux électrodes. Certaines couches de l'empilement conduisent l'électricité ; d'autres sont des isolants parce qu'ils sont appauvris en atomes d'oxygène, conférant à l'ensemble une résistance électrique élevée. L'application de la bonne quantité de tension pousse les atomes d'oxygène d'une couche conductrice vers une couche isolante, permettant au courant de passer plus facilement. Le chercheur Jean Paul Strachan le démontre en utilisant sa souris pour cliquer sur un bouton marqué 1 sur son écran d'ordinateur. Cela fait circuler brièvement un flux étroit d'atomes d'oxygène à l'intérieur d'une couche de dioxyde de titane dans un memristor sur une plaquette de silicium à proximité. Nous venons de créer un pont que les électrons peuvent traverser, dit Strachan. Les chiffres sur son écran indiquent que la résistance électrique de l'appareil a chuté d'un facteur mille. Lorsqu'il clique sur un bouton marqué 0, les atomes d'oxygène se retirent et la résistance de l'appareil remonte à nouveau. La résistance peut être commutée comme ça en quelques picosecondes, environ mille fois plus vite que les éléments de base de la DRAM et en utilisant une fraction de l'énergie. Et surtout, la résistance reste fixe même après la coupure de la tension.

Lorsque Williams a annoncé le memristor en 2008, cela a commencé ce qu'il appelle maintenant un tour de montagnes russes, car la découverte de la recherche fondamentale a rapidement progressé pour devenir un projet de développement crucial pour HP. Parfois, l'adrénaline peut être un peu écrasante, dit-il. Les memristors sont la principale occupation de son équipe depuis 2008 et, en 2010, HP a annoncé avoir conclu un accord avec le fabricant sud-coréen de puces mémoire SK Hynix pour commercialiser la technologie. À l'époque, HP se concentrait sur l'obtention de memristors pour remplacer la mémoire flash dans les ordinateurs conventionnels. Puis, en 2012, Fink a mis plus de pression en plaçant les memristors au cœur de son plan pour la Machine.

Affaire risquée

L'utilisation de memristors, que ce soit en remplacement de la mémoire flash ou comme base de la machine, nécessiterait de les emballer dans des puces de mémoire qui combinent un réseau dense de dispositifs avec des circuits de contrôle en silicium conventionnels. Mais de telles puces n'existent pas pour le moment. Et on ne sait pas quand HP pourra en obtenir. Il appartient à un fabricant de puces tel que SK Hynix de développer des puces memristor fiables et adaptées à ses lignes de production. Jusqu'à présent, il envoie des plaquettes de silicium HP avec des memristors qui peuvent être testés individuellement, non utilisés dans un ordinateur.

Fink et Williams disent que les premiers prototypes de puces mémoire pourraient arriver l'année prochaine. (Des déclarations précédentes de Williams donnaient l'impression que la technologie arriverait sur le marché en 2013, mais lui et Fink disent que ces remarques ont été mal interprétées.) Un porte-parole d'Hynix, Heeyoung Son, a refusé de dire si 2016 était réalisable. Il n'y a pas de délai précis, a-t-il dit. Il faudra du temps pour y parvenir.

En haut, un gros plan de memristors sur une tranche de silicium. Ci-dessous, un détail dans un prototype de la Machine.

Edwin Can , professeur à l'Université Cornell qui travaille sur la technologie de la mémoire, affirme que les progrès sur les memristors et les dispositifs similaires ont semblé stagner lorsque les entreprises ont tenté de les intégrer dans des puces denses et fiables. Cela semble prometteur, mais cela semble prometteur depuis trop longtemps, dit-il.

Dmitri Strukov, l'un des anciens collaborateurs de Williams chez HP, affirme que les memristors n'ont pas encore réussi un test clé. Strukov, professeur adjoint à l'Université de Californie à Santa Barbara et auteur principal de l'article de 2008 annonçant le memristor, déclare que si les publications techniques publiées par HP et SK Hynix ont montré que les memristors individuels peuvent être commutés des milliards de fois sans échouer, il n'est pas encore clair que les grands tableaux fonctionnent de la même manière. Ce n'est pas négligeable, dit-il.

Stanley Williams affirme que le memristor offrira une combinaison inégalée de vitesse, de densité et d'efficacité énergétique.

Entouré de prototypes de memristors dans son laboratoire, Williams dit joyeusement que sa confiance dans la technologie reste élevée. Si j'avais pensé que quelque chose d'autre était mieux, j'aurais sauté dessus en une femtoseconde, dit-il. Williams garde un tableau sur le mur résumant la concurrence d'une poignée d'autres technologies de mémoire que des entreprises telles qu'IBM et Samsung positionnent comme remplaçants du flash. Ces entreprises et HP sont à des stades similaires : des progrès sont signalés, bien que l'avenir commercial de leurs appareils ne soit pas clair. Mais Williams affirme qu'aucune des autres technologies n'a une aussi bonne combinaison de vitesse, de densité et d'efficacité énergétique que les memristors. Même si la première génération de puces memristor n'a pas encore été introduite, son groupe cherche déjà des moyens pour les générations suivantes d'intégrer de plus en plus de données. Ceux-ci incluent l'empilement des memristors en couches et le stockage de plus d'un bit dans chaque memristor.

Dans le laboratoire voisin, les chercheurs travaillent sur des connexions de données optiques suffisamment compactes pour relier les composants à l'intérieur d'un ordinateur. Mais ce projet est à un stade encore plus précoce. Les ingénieurs de HP peuvent montrer une plaquette de silicium recouverte de minuscules lasers, chacun d'un quart de la largeur d'un cheveu humain, et les utiliser pour pulser la lumière vers de fines fibres optiques. Les lasers sont destinés à être emballés dans de petites puces et ajoutés aux circuits imprimés de la machine pour connecter sa mémoire et ses processeurs. Les ordinateurs existants utilisent pour cela des fils métalliques, car la technologie de connexion optique conventionnelle est trop encombrante. Fink s'attend à ce que ce soit le dernier des composants de la machine à être prêt, vers la fin de la décennie.

À ce moment-là, la première version complète de la Machine pourrait être louée à des entreprises ou des universités pour y accéder à distance pour une analyse de données à grande échelle, a déclaré Fink. Peu de temps après, des serveurs de type Machine seront disponibles à l'achat. Les travaux commenceront également à réduire le nouvel ordinateur pour une utilisation dans d'autres types d'appareils, tels que les ordinateurs portables, les smartphones et même les décodeurs de télévision par câble, dit-il.

Si tout se passe comme prévu, Hewlett Packard Enterprise aura cinq ans lorsque la première version de la Machine pourra voler à son secours. Mais le marché n'est peut-être pas beaucoup plus accueillant qu'il ne l'est pour les activités existantes de HP aujourd'hui.

Les nouvelles technologies informatiques ont tendance à être coûteuses et difficiles à utiliser. L'intérêt pour les serveurs de HP diminue parce que les services cloud offrent aux entreprises exactement le contraire : une alternative moins chère et plus facile aux services qui devaient autrefois être construits en interne. Même les entreprises qui achètent leurs propres serveurs sont susceptibles de continuer à constater des améliorations significatives des performances grâce aux mises à niveau régulières de technologies telles que la mise en réseau et le stockage pendant plusieurs années, déclare Doug Burger , chercheur principal chez Microsoft. Une feuille blanche est formidable parce que vous pouvez tout redéfinir, mais vous devez tout redéfinir, dit-il. Les projets perturbateurs et réussis dans des architectures système très complexes sont assez rares.

Fink soutient que ses chercheurs peuvent créer des outils qui facilitent le processus de migration vers le nouvel avenir étrange de l'informatique. Et il pense que les entreprises deviendront plus ouvertes à l'adoption d'une nouvelle plate-forme à mesure que les mises à niveau incrémentielles des ordinateurs conventionnels commenceront à produire des rendements décroissants.

Un peu paradoxalement, Fink dit aussi que la perspective de ne pas du tout livrer la Machine ne le dérange pas. HP peut se rabattre sur la vente de puces memristor et d'interconnexions photoniques comme moyens de mettre à niveau l'architecture défectueuse des ordinateurs d'aujourd'hui, dit-il, bien que HP ne fabrique pas de composants aujourd'hui. Nous gagnons beaucoup en faisant cela, dit-il. Ce n'est pas tout ou rien.

Les luttes de HP semblent suggérer exactement le contraire.

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