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Le monde est à court de puces électroniques - voici la solution

Les puces au cœur de nos appareils numériques sont fabriquées par quelques grandes entreprises, mais une approche open source de la conception pourrait mettre fin à leur domination - avec des implications pour tout le monde


Chris Malbon


D'une part, une tempête parfaite de problèmes entravant l'approvisionnement : une pandémie mondiale, une guerre commerciale, un incendie dans une usine de fabrication et des conditions météorologiques atroces, notamment la sécheresse et les tempêtes de neige. De l'autre, la demande sans précédent pour l'un des produits les plus recherchés au monde - un marché d'une valeur de 40 milliards de dollars rien qu'en janvier de cette année.


Même ainsi, la nouvelle plus tôt cette année qu'il y avait une pénurie mondiale de puces informatiques, faisant grimper le prix de tout, des ordinateurs portables aux réfrigérateurs, a pris beaucoup de gens par surprise. La crise a vu des nations et des entreprises du monde entier se démener pour établir davantage de capacités de construction de puces. Il a également mis en lumière une industrie dont les produits sont devenus omniprésents et essentiels, laissant beaucoup penser qu'elle doit subir une refonte fondamentale. Pour les critiques, la mainmise sur le marché de quelques entreprises seulement agit comme un frein à l'innovation et augmente la vulnérabilité de l'industrie aux perturbations.


Certains grands noms soutiennent désormais un modèle alternatif - en prenant les principes collaboratifs et open source qui ont changé la façon dont les logiciels sont écrits et en les appliquant aux puces. Pour ses partisans, ce n'est qu'une question de temps avant que cela devienne la nouvelle norme. Mais quand les jetons sont bas, a-t-il ce qu'il faut - et qu'est-ce que cela signifie pour nous ?


Les puces informatiques sont partout - pas seulement dans nos ordinateurs portables, ordinateurs de bureau et smartphones. Ils se trouvent dans la myriade de serveurs mystérieux qui gèrent notre messagerie Web, notre banque en ligne et d'autres services numériques que nous utilisons quotidiennement. Ils se trouvent dans de nombreux micro-ondes, téléviseurs, machines à laver et montres. La voiture neuve moyenne en contient aujourd'hui des centaines.


Intel Corporation


Zoomez sur une invention vieille de 60 ans qui est toujours au cœur de toutes ces puces : le transistor à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur, ou MOSFET. Imaginé par les chercheurs des Bell Labs Mohamed Atalla et Dawon Kahng en 1959, il agit comme un petit interrupteur qui, câblé de manière spécifique, peut effectuer des opérations logiques de base comme l'addition, la soustraction ou la multiplication.


Les toutes premières puces de processeur ont été conçues sur mesure, avec des transistors câblés pour des tâches de calcul spécifiques. Les ordinateurs devenant de plus en plus complexes et courants, cependant, en 1964, IBM a annoncé l'IBM System/360, un ordinateur central capable d'exécuter une gamme de programmes différents. Son processeur était livré avec un "jeu d'instructions" d'opérations de base - ajouter ou comparer deux nombres, par exemple, ou sauter à un certain endroit de la mémoire - à partir duquel des opérations plus complexes pouvaient être créées.


« Nous avons commencé à atteindre des limites fondamentales sur la taille des transistors »


Le processus de programmation des logiciels utilisant ces puces a rapidement été assisté par des outils d'analyse, de débogage et de vérification du code spécifique à un jeu d'instructions et à l'« architecture » de la puce sous-jacente. Cela signifiait que les programmeurs n'avaient plus à se soucier du fonctionnement des puces au niveau des transistors. Mais cela signifiait également donner beaucoup de pouvoir à quelques fabricants de puces établis qui fournissaient des ensembles d'instructions et des architectures bien compris et stables.


Cette situation persiste à ce jour. « Le fait qu'une [architecture de puce] existe depuis si longtemps signifie qu'il existe toute une infrastructure intégrée », explique Siva Sivaram de Western Digital, une entreprise qui crée des disques durs stockant 40 % des données mondiales. « De nombreux logiciels sont écrits dessus, et les systèmes d'exploitation se sont installés dessus. Tout le monde sait ce que c'est.


Les principaux processeurs de votre ordinateur de bureau ou portable, par exemple, fonctionnent probablement sur le jeu d'instructions x86 sur des puces conçues par Intel ou une autre société américaine, AMD, qui a initialement procédé à l'ingénierie inverse des puces d'Intel pour créer des conceptions compatibles. Les serveurs de données peuvent utiliser IBM z/Architecture, qui retrace sa lignée jusqu'au System/360. Les téléphones portables utilisent souvent l'architecture ARM, propriété d'une société basée au Royaume-Uni qui a évolué à partir d'Acorn Computers. ARM a livré plus de 125 milliards de puces, ce qui en fait l'une des architectures les plus réussies de tous les temps.


Toutes ces entreprises gardent un œil strict sur leur propriété intellectuelle. Intel, par exemple, a le seul mot d'ordre sur la conception et la fabrication de ses puces. "Vous voulez un processeur Intel... ils ont le contrôle", déclare Cecil Macgregor de la société de stockage de données Seagate.


Concevoir et fabriquer de nouvelles puces est, après tout, une entreprise complexe et spécialisée. Cela est devenu encore plus vrai alors que nous avons commencé à atteindre des limites fondamentales sur la petite taille des transistors - la norme actuelle ne mesure que 5 nanomètres de diamètre - et donc combien peuvent être entassés sur une seule puce. Une unité centrale de traitement standard, ou CPU, se compose désormais de plusieurs « cœurs », des puces sur puce individuelles qui peuvent fonctionner en parallèle. Des algorithmes tels que l'intelligence artificielle qui sous-tend l'assistant virtuel de notre téléphone, par exemple, ou ceux qui effectuent les calculs de physique 3D à grande vitesse qui rendent les graphismes de jeux informatiques réalistes, nécessitent de plus en plus des puces spécialement optimisées pour exécuter les instructions pertinentes plus rapidement.


« Alors que les puces deviennent de plus en plus complexes, la sécurité devient une patate chaude »


Le modèle propriétaire donne stabilité et certitude aux entreprises qui construisent du matériel autour d'une puce donnée, mais il peut également entraver leur capacité à innover. « Combien de mémoire pouvez-vous attacher à un seul cœur ? Intel décide », explique Sivaram. « Si vous voulez ajouter plus de mémoire, ils disent« achetez un autre cœur ». C'est comme « Voulez-vous une nouvelle salle de bain ? Achetez une nouvelle maison ». Il dit que son entreprise achète des dizaines de millions de puces par an, mais ne peut toujours pas obtenir exactement ce dont elle a besoin.


ARM fonctionne légèrement différemment : il conçoit ses cœurs, mais en octroie diverses « saveurs » de base aux utilisateurs finaux pour qu'ils les fabriquent comme ils l'entendent. Seagate est passé à ce modèle il y a un peu plus de 20 ans. Cela a donné plus de flexibilité, dit Macgregor, mais n'a pas fait grand-chose pour la personnalisation : l'entreprise devait encore choisir parmi une poignée d'options prédéterminées. « Ils sont aussi là pour gagner de l'argent, n'est-ce pas ? Ils doivent donc décider quelle saveur a du sens pour le monde », dit-il. "Ils veulent s'assurer que beaucoup de gens vont l'acheter." Une très grande entreprise comme Apple peut contourner ce problème : elle passe actuellement des puces Intel aux puces ARM, mais a payé un supplément et a utilisé son énorme influence pour créer son propre processeur, appelé M1.


Le projet d'acquisition d'ARM par Nvidia, une société américaine qui conçoit des unités de traitement graphique (GPU) et des puces pour smartphones, tablettes et systèmes de navigation et de divertissement automobile ainsi que des consoles de jeux elle-même, a également provoqué un certain malaise. "Si vous étiez un concurrent de Nvdia, vous réfléchiriez sérieusement car votre cœur de métier vient d'eux", explique Macgregor. Un porte-parole de Nvidia a déclaré que tous les clients pourront continuer à octroyer des licences de propriété intellectuelle ARM, comme ils le peuvent aujourd'hui. Le gouvernement britannique n'est apparemment pas convaincu, des rapports récents suggérant qu'il a exploré la possibilité d'opposer son veto à la prise de contrôle pour des motifs anticoncurrentiels ou de sécurité nationale.


Les puces électroniques sont au cœur de nombreux appareils


À mesure que les puces deviennent de plus en plus complexes, la sécurité et la fiabilité deviennent également des pommes de terre plus chaudes. Tester des puces signifie actuellement soit en tester une au hasard pour trouver des défauts, soit essayer de tester formellement toutes les entrées et sorties possibles. La première approche peut facilement passer à côté de problèmes, et la seconde devient rapidement irréalisable pour toutes les conceptions sauf les plus simples. Intel a rappelé environ un million de processeurs Pentium P5 en 1995 après la découverte d'une faille pouvant entraîner la mauvaise exécution de certains calculs. En 2011, une faille dans ses puces Sandy Bridge a coûté environ 1 milliard de dollars à corriger. Ni l'un ni l'autre ne s'est approché de deux défauts identifiés en 2018, Meltdown et Spectre, qui ont affecté toute une génération de puces de divers fabricants. Même la toute nouvelle puce M1 d'Apple s'est avérée avoir un défaut de conception involontaire, considéré comme largement inoffensif, qui permet à deux programmes qui devraient être strictement séparés de partager des données.


Ajoutez à ce mélange les tensions géopolitiques entre les deux plus grands acteurs nationaux du secteur des puces, les États-Unis et la Chine (voir « Guerres internationales des puces »), et vous pouvez commencer à comprendre pourquoi certains fabricants ont hâte de travailler différemment. Beaucoup pensent maintenant qu'ils le voient.


Appelé RISC, pour « ordinateur à jeu d'instructions réduit », ses origines se trouvent dans un projet universitaire qui a débuté dans les années 1980 à l'Université de Californie à Berkeley. L'idée originale était que les puces pourraient être rendues plus légères et plus simples en ayant un jeu d'instructions avec seulement quelques instructions, plutôt qu'une vaste bibliothèque pour couvrir chaque tâche ésotérique spécifique. Un obstacle permanent au progrès était la difficulté de maîtriser les conceptions secrètes et exclusives des entreprises. En 2010, les chercheurs de RISC ont donc commencé à créer leur propre puce et leur propre jeu d'instructions comme outil pédagogique. Ils l'ont appelé RISC-V, car il s'agissait du cinquième projet de recherche RISC sur lequel le co-créateur David Patterson avait travaillé. Au fur et à mesure que les étudiants qui avaient appris leurs connaissances sur les puces RISC-V avançaient, la conception a commencé à apparaître dans les applications du monde réel.


En 2015, le cahier des charges a été filé avec une société à but non lucratif, RISC-V International, supervisant son développement. Son gros plus est qu'il est open-source, appliquant un modèle qui est de plus en plus un standard dans le développement de logiciels. L'open-source Linux oLe système de fonctionnement, notamment, est devenu la base de l'Android sponsorisé par Google, le système d'exploitation pour smartphone le plus populaire au monde. Il alimente également plus de la moitié des supercalculateurs les plus puissants au monde.


Saison open

L'approche open source permet à des communautés entières de développeurs d'optimiser en permanence la norme RISC-V, en garantissant qu'elle fonctionne comme il se doit, sans failles de sécurité ou portes dérobées. « La meilleure chose que je puisse faire est d'être open source », déclare Sivaram. « Laissez un million de personnes essayer de trouver un bogue dans mon code. » La justification de toutes les décisions de conception est documentée publiquement, et tout individu ou entreprise peut participer au développement et le réutiliser gratuitement pour ses propres produits. "Vous pouvez faire toutes sortes de saveurs, vous pouvez y ajouter de petits ajustements", explique Macgregor.


L'attrait pour les fabricants d'appareils est clair : créer des produits moins chers avec des frais généraux de licence inférieurs, en utilisant des puces conçues spécifiquement pour la tâche à accomplir, ce qui signifie potentiellement de meilleures performances et une meilleure autonomie de la batterie. Certaines entreprises mordent déjà. Seagate en fait partie, bien qu'il souligne qu'il n'a officiellement annoncé aucun produit contenant des puces RISC-V. Macgregor ne dira pas pourquoi l'entreprise utilise la norme, seulement que la personnalisation des puces offre des avantages par rapport aux concurrents.


D'autres sont moins timides. Western Digital est désormais « entièrement abonné » à RISC-V, déclare Sivaram. Une puce RISC-V conçue pour avoir une fonctionnalité particulière sera légèrement plus petite et offrira de meilleures performances pour moins d'énergie qu'une puce prête à l'emploi car elle "n'a pas de bagage hérité à traîner avec elle", dit-il. En 2016, Nvidia a annoncé qu'il utiliserait RISC-V dans ses GPU. Contactée pour cet article, elle a confirmé qu'elle le faisait désormais, malgré son projet de rachat d'ARM.


Sivaram pense que ces développements ne sont que le début. "Je ne dis pas que cela va être instantané, mais ce n'est qu'une question de temps avant que les noyaux semi-conducteurs ne soient open source partout. Lorsque vous achetez votre voiture Ford ou Toyota, savez-vous qui fabrique le moteur ? »


Patterson est d'accord. « Les gens ont cette ferveur religieuse pour l'ouverture. Ils aiment cette idée et veulent la concrétiser », dit-il. "Je pense que RISC-V est inévitable et ce sera une lingua franca qui va s'habituer des petits ordinateurs aux gros ordinateurs."


« Parce qu'il s'agit d'une licence open source, aucune entreprise, aucun pays ou aucune autre entité ne la contrôle. Une fois qu'il est distribué à la communauté, vous ne pouvez plus le retirer », explique Calista Redmond de la fondation RISC-V International. La fondation a annoncé en 2019 qu'elle déménageait son siège en Suisse des États-Unis pour apaiser les craintes de certains de ses membres, anonymes mais censés provenir de Chine, que n'importe quel pays puisse prendre le contrôle.


Certes, de nombreuses entreprises chinoises figurent sur la liste des partenaires de la fondation. Après les sanctions américaines de l'administration Trump, le géant chinois de la vente au détail Alibaba a développé une puce RISC-V à 16 cœurs appelée XT910 qui, selon lui, pourrait être utilisée pour l'IA ou les voitures autonomes. L'Inde a également officiellement approuvé l'architecture RISC-V pour les projets de défense et d'infrastructure, citant le désir de savoir ce qu'il y a à l'intérieur des puces utilisées pour construire des systèmes critiques. L'UE a choisi RISC-V comme base pour un nouveau superordinateur qu'elle construit pour gérer une gamme de tâches scientifiques et de traitement de données. Semico Research a estimé qu'il y aura plus de 60 milliards de cœurs RISC-V expédiés en 2025. Cela se compare aux 6,7 milliards de puces utilisant la technologie ARM qui ont été construites au dernier trimestre de 2020.


Redmond dit que les sociétés « héritées » comme AMD, Intel et ARM devraient être inquiètes. « Nous accélérons le chemin qu'il leur a fallu des décennies pour construire », dit-elle. "Beaucoup de grands sont dans la tente, et ils approfondissent leur investissement."


L'architecte en chef d'ARM, Richard Grisenthwaite, est moins sûr, malgré l'implication de son nouveau propriétaire putatif. Développer un jeu d'instructions est la partie relativement facile, dit-il; ce qui est difficile, c'est de créer l'écosystème d'outils de support pour aider à développer des puces sur cette plate-forme. Cela doit être fait à partir de zéro pour un nouveau jeu d'instructions. "Un jeu d'instructions vit ou meurt sur l'écosystème, et le faire à partir de zéro, plutôt que d'opter pour ARM, semble délicat", explique Grisenthwaite. « Il nous a fallu 30 ans pour créer une dynamique. Quiconque veut vivre la même expérience qu'ARM a vécue doit effectuer le même type de travail.


Une puce Intel sur un satellite avec une intelligence artificielle embarquée


Un autre problème est de rester concentré. Les joueurs établis peuvent contrôler leurs jeux d'instructions et approuver les modifications, mais une conception open source peut être adaptée et emprunter différentes voies. Toute fracture fondamentale qui s'ouvre pourrait réduire ses chances de succès - ou tout simplement créer un nouveau monopole. Android est peut-être open source, par exemple, mais son principal effet a été de consolider la position commerciale de Google.


"Les observateurs disent que des entreprises comme AMD, Intel et ARM devraient être inquiètes"


La question de savoir si les fabricants seront un jour capables de se sevrer entièrement de la technologie héritée est également moins certaine. Pour beaucoup, il est nécessaire de conserver la rétrocompatibilité avec les produits plus anciens, ce qui peut signifier le maintien des puces ARM ou Intel dans leurs appareils. Les appareils modernes contiennent déjà des dizaines de puces utilisant différentes architectures et il est peu probable que cela change. Et quiconque conçoit des puces, les autorise ou les commande, les fabricants de puces devront toujours produire le silicium réel. Au moins pour les prochaines années – jusqu'à ce que de nouvelles usines puissent être mises en ligne – ce sera le goulot d'étranglement.


En ce sens, la révolution RISC-V, si elle se produit, passera probablement inaperçue de l'utilisateur final. Mais si cela permet aux concepteurs de matériel de fabriquer des appareils un peu moins chers, un peu plus spécialisés, un peu plus efficaces, alors nous en profiterons tous. Les puces continueront de bourdonner, faisant ce à quoi nous nous sommes habitués : permettre silencieusement notre vie numérique, mais peut-être juste un peu plus ouvertement.



Source: www.newscientist.com/article/mg25133510-800-the-world-is-running-out-of-microchips-heres-the-solution/#ixzz7DVI71TBP

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