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Des ordinateurs un million de fois moins gourmands en énergie

Les serveurs nécessaires au bon fonctionnement du Web et, plus généralement, les ordinateurs posent des problèmes environnementaux car ils consomment de plus en plus d'énergie. Une expérience vient de prouver que l'on pourrait, en principe, faire drastiquement baisser cette consommation – celle des téléphones portables jusqu'à celle des superordinateurs – en utilisant des puces basées sur le nanomagnétisme.

Une vue d'un des superordinateurs Blue Gene/P d'IBM. Gourmands en énergie, ils nécessitent d'être refroidis. On aurait tout intérêt à disposer de puces dissipant moins de chaleur et consommant moins d'énergie. © Wikipédia, CC by-sa 2.0 Une vue d'un des superordinateurs Blue Gene/P d'IBM. Gourmands en énergie, ils nécessitent d'être refroidis. On aurait tout intérêt à disposer de puces dissipant moins de chaleur et consommant moins d'énergie. © Wikipédia, CC by-sa 2.0

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superordinateur IBM Blue Gene P CC BY-SA 2.0 wikipedia

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On ne sait pas très bien combien de temps encore va durer la loi de Moore. Certains semblent penser qu’elle est déjà morte. En effet, selon eux, la progression dans la miniaturisation des ordinateurs est sur le point de fortement ralentir parce que les limites imposées par la physique sont presque atteintes.

Cela pourrait n’être que temporaire car le graphène ou encore l’informatique quantique pourraient changer la donne. En tout état de cause, l'Homme s’est aussi donné comme but de réduire la consommation d’énergie nécessaire pour effectuer des calculs. L’évolution semble avoir doté le cerveau humain de remarquables capacités à cet égard. Grâce notamment au Human Brain Project, qui a pour but de trouver des traitements contre les maladies du cerveau en reconstruisant sur ordinateur un cerveau humain, cela pourrait déboucher sur une nouvelle électronique.

D’autres explorent les voies de recherche ouvertes par la nanotechnologie. C'est le cas d’un groupe de chercheurs de l’université de Berkeley, en Californie, qui viennent de publier leurs travaux dans Science (l'article est disponible sur arXiv). Ils ont montré, d’abord théoriquement en 2011 puis en pratique tout récemment, qu’il était possible d’atteindre la fameuse limite de Landauer à température ambiante en utilisant des techniques de nanomagnétisme. Cela revient à manipuler des bits d’information avec des portes logiques non pas avec des courants d’électrons mais en manipulant des nanoaimants dont on fait basculer l’aimantation à volonté. Permuter les pôles magnétiques revient en effet à disposer d’un système physique à deux états. C’est d’ailleurs aussi ce qui permet d’avoir des mémoires magnétiques.

Le physicien Rolf Landauer (1927–1999) est célèbre pour avoir dit : « L'information est physique »
Le physicien Rolf Landauer (1927–1999) est célèbre pour avoir dit : « L'information est physique ». © AIP Emilio Segrè Visual Archives

100 bits manipulés avec l'énergie d'un seul atome

Rappelons que la limite due au physicien Rolf Landauer concerne la quantité d’énergie minimale nécessaire à une température donnée pour manipuler un bit d’information, par exemple pour l’écrire ou l’effacer sur un support. Elle est reliée aux principes de la thermodynamique. En effet, tous les calculs s’effectuent sur des systèmes physiques gouvernés par ces lois et l’on sait, depuis les travaux de Leó Szilárd, Léon Brillouin et Claude Shannon, qu’il existe des liens étroits entre la théorie de l’information et la thermodynamique.

Les chercheurs états-uniens ont utilisé un faisceau laser pour mesurer le changement d’aimantation d’un matériau plongé dans un champ magnétique. Ils ont ainsi pu vérifier qu’ils n’avaient besoin que d’environ un centième de l’énergie échangée par un atome qui émet de la lumière pour faire basculer magnétiquement un nanoaimant à température ambiante. Cela représente environ 15 milliélectronvolts ou environ 10-21 joules, ce qui est précisément la valeur donnée par la formule associée à la limite de Landauer.

C’est donc une preuve de principe que des ordinateurs magnétiques capables de fonctionner à température ambiante au moins pas très loin de la limite de Landauer peuvent sérieusement être envisagés. Il y aurait encore beaucoup de travail à faire pour vérifier que ces ordinateurs peuvent effectivement être construits et pour savoir comment s’y prendre. Toutefois, en théorie, on pourrait donc bien disposer, dans un avenir pas trop lointain, d’ordinateurs fonctionnant à la limite de Landauer à température ambiante, c'est-à-dire qui soient un million de fois moins gourmands en énergie.

Ce serait bien évidemment une révolution bienvenue au moment où une crise de l’énergie se profile et où l’on veut continuer à faire grimper la complexité de l’infosphère et à faire s’effondrer les murs entre les Hommes au moyen d’Internet et des réseaux sociaux, qui sont de gros consommateurs d’énergie.

À découvrir en vidéo autour de ce sujet :


Le monde quantique est fascinant : à cette échelle, par exemple, les objets peuvent se trouver simultanément dans plusieurs états. Exploitant ce principe, un ordinateur quantique aurait des possibilités bien plus vastes qu’un modèle classique. Dans le cadre de sa série de vidéos Questions d’experts, sur la physique et l’astrophysique, l’éditeur De Boeck a interrogé Claude Aslangul, professeur à l’UPMC, afin qu'il nous explique le fonctionnement de cette étrange machine.


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