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Un processeur Picowatt
En peu de temps, des capteurs peuvent être implantés dans notre corps pour faire des choses comme mesurer les niveaux de glucose sanguin chez les diabétiques ou la pression rétinienne chez les patients atteints de glaucome. Mais pour être pratiques, ils devront à la fois être très petits - aussi petits qu'un grain de sable - et utiliser des batteries longue durée de taille similaire, une combinaison qui n'est pas disponible dans le commerce aujourd'hui.
Puissance de crête: Ce minuscule processeur, appelé Phoenix, utilise 90 % moins d'énergie que la puce la plus efficace sur le marché aujourd'hui. Il pourrait permettre des capteurs médicaux implantables alimentés par de minuscules batteries.
Aujourd'hui, des chercheurs de l'Université du Michigan ont conçu un processeur qui ne prend qu'un millimètre carré et dont la consommation d'énergie est si faible que les nouvelles batteries à couches minces de la même taille pourraient l'alimenter pendant 10 ans ou plus, selon David Blaauw , professeur de génie électrique et d'informatique au Michigan et l'un des principaux chercheurs du projet.
Mais lorsque ce processeur, surnommé le Phoenix, est couplé à une batterie, l'ensemble ne ferait qu'un millimètre cube de volume. À cette échelle, dit Blaauw, il pourrait être possible de construire la puce dans une lentille de contact épaisse et de l'utiliser pour surveiller la pression dans l'œil, ce qui serait utile pour la détection du glaucome. Il pourrait également être implanté sous la peau pour détecter les niveaux de glucose dans le liquide sous-cutané. Plus généralement, cette approche à faible consommation d'énergie de la conception de processeurs pourrait être utilisée dans des capteurs environnementaux qui surveillent la pollution, ou des capteurs de santé structurelle, par exemple.
Le processeur n'utilise qu'environ 30 picowatts (un picowatt est un millionième d'un millionième de watt) de puissance lorsqu'il est inactif. Lorsqu'il est actif, le processeur ne consomme que 2,8 picojoules d'énergie par cycle de calcul. Cette quantité représente environ un dixième de l'énergie utilisée par les puces les plus écoénergétiques du marché, selon Jan Rabaey , professeur de génie électrique et d'informatique à l'Université de Californie à Berkeley, qui n'a pas participé à la recherche.
L'idée principale de l'équipe du Michigan était de concevoir une puce fonctionnant à une tension extrêmement basse. Alors que les microprocesseurs pour ordinateurs personnels peuvent nécessiter deux volts d'électricité par opération, le Phoenix n'a besoin que de 500 millivolts, soit 75 % de moins.
À cette tension, certaines parties de la puce ne fonctionnent pas bien, explique Blaauw, alors son équipe a repensé la mémoire de la puce, qui est plus petite que la plupart des mémoires du processeur, et son horloge interne afin qu'elle puisse fonctionner avec une entrée électrique minimale. L'horloge de la puce - la pièce d'horlogerie qui synchronise les opérations de calcul des chiffres - a été réduite à un taux extrêmement lent de 100 kilohertz, par opposition aux taux de gigahertz des ordinateurs personnels. Cette approche est logique pour les capteurs, dit Blaauw. Si nous voulions surveiller la pression dans l'œil… nous n'avons besoin de prendre des lectures que toutes les quelques minutes, dit-il.
De plus, les chercheurs ont prêté une attention particulière à la perte d'énergie qui se produit lorsque la puce est en mode veille, ou qu'elle ne collecte ou ne traite pas de données. Les transistors des ordinateurs les plus récents sont fabriqués à l'aide d'un processus de 45 nanomètres dans lequel les caractéristiques d'une puce ont une taille de 45 nanomètres. Bien que cela permette d'avoir plus de transistors sur une puce plus petite, cela entraîne également des fuites électriques, en raison de la physique des matériaux à cette échelle. Blaauw et son équipe ont opté pour des transistors plus gros fabriqués à l'aide d'un processus de 180 nanomètres, à partir d'une génération précédente de puces. Ces transistors sont dans une zone idéale, dit Blaauw. Ils sont assez gros pour avoir des fuites minimales et pourtant assez petits pour que les chercheurs puissent en placer un grand nombre sur une puce d'un millimètre carré.
Pour minimiser davantage les fuites, les chercheurs ont ajouté des transistors spéciaux qui coupent complètement l'alimentation des transistors de traitement lorsque la puce est en mode veille. Il s'agit d'une approche courante, explique Blaauw, mais son équipe l'a poussée à l'extrême et a consacré beaucoup plus de puce que d'habitude à ces transistors à déclenchement de puissance. Si un concepteur normal [de puces] regardait cela, il dirait: 'Vous êtes fou', dit Blaauw. Mais cela nous donne le compromis d'économie d'énergie dont nous avons besoin. En résumé, les chercheurs ont combiné un certain nombre d'astuces déjà existantes et les ont affinées pour atteindre la faible consommation d'énergie record.
L'équipe du Michigan, qui est également dirigée par Denis Sylvestre , professeur de génie électrique et d'informatique, doit encore ajouter une batterie au Phoenix, et il doit développer un moyen de décharger les données de la puce pour une analyse plus approfondie. Une fois cela fait, les chercheurs peuvent travailler sur une intégration complète au sein d'un système biologique, ce qui pourrait prendre des années.
Rabaey de Berkeley, qui écrit un livre sur les processeurs à faible consommation, dit que le travail est important. Ce qui m'a impressionné, c'est qu'ils ont poussé cela à des chiffres assez extrêmes, dit-il. La consommation d'énergie est extrêmement faible. Personne d'autre ne s'en est approché. Rabaey note que ce processeur est destiné aux applications de capteurs spécialisés et qu'il n'apparaîtra pas de sitôt dans un téléphone portable. Cependant, c'est une étape importante vers la construction de capteurs médicaux implantables dont les batteries peuvent durer des années.
L'idée de cette puce basse tension n'est pas nouvelle, dit Rabaey : elle est utilisée avec succès dans l'industrie horlogère depuis des décennies. Mais au cours des dernières années, l'intérêt des universitaires et de l'industrie pour une telle conception s'est épanoui alors que les ingénieurs explorent des utilisations plus variées et omniprésentes des capteurs, des dispositifs qui nécessitent des astuces d'économie d'énergie pour être pratiques.