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Un processeur minuscule destiné... au corps humain

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Phoenix mesure un millimètre carré et consomme 30 picowatts. Ses concepteurs ne veulent pas l'intégrer dans un téléphone portable mais sous la peau ou sur une lentille de contact, pour surveiller des paramètres biologiques, de la glycémie à la pression oculaire.

Le processeur Phoenix au centre d'une pièce de 1 cent US, qui mesure 19,05 mm de diamètre. © University of Michigan

A l'université du Michigan, David Blaauw et son équipe cherchent par tous les moyens à réduire la consommation d'un processeur. Leur but est d'aboutir à une autonomie et une miniaturisation suffisantes pour obtenir des circuits implantables capables d'assurer des fonctions de surveillance dans l'organisme humain.

Baptisé Phoenix, leur dernier prototype, présenté récemment, pulvérise les records de - faible - consommation. Ce minuscule circuit d'un millimètre carré ne consomme au repos que 30 picowatts (soit 30 millièmes de milliardième de watt). En utilisant les récentes batteries à film mince, dans lesquelles le classique électrolyte liquide est remplacé par un matériau solide, le volume total atteindrait un millimètre cube et fonctionnerait pendant une dizaine d'années. Avec une taille aussi petite, le processeur et sa batterie peuvent être implantés sous la peau et connectés à un capteur, par exemple pour mesurer la pression sanguine ou la glycémie. On pourrait aussi installer le tout dans l'épaisseur d'une lentille de contact où il pourrait suivre en permanence la pression intra-oculaire, qui doit être surveillée dans certaines pathologies.

Pour parvenir à une consommation si basse, les chercheurs ont dû explorer des pistes ignorées de l'électronique traditionnelle. La fréquence du processeur n'est que 100 kHz (kilohertz), une allure d'escargot en comparaison des gigahertz d'un processeur d'ordinateur et qui ramène aux performances du préhistorique 4004 présenté par Intel en 1971. Cette lenteur n'est cependant pas handicapante pour un circuit qui n'aura qu'à effectuer quelques mesures à intervalles réguliers. « Pour contrôler la pression oculaire, nous n'avons besoin que d'effectuer des mesures espacées de quelques minutes » explique David Blaauw à la revue Technology review.

Le dessin du circuit est lui aussi différent d'un processeur habituel. Les fabricants cherchent des finesses de gravure toujours plus petites et parviennent aujourd'hui à inscrire des motifs de 45 nanomètres (nm) d'épaisseur. David Blaauw et son équipe, eux, ont gravé Phoenix avec une finesse de 180 nm, celle des premiers Pentium 4, en 2000. L'avantage de circuits plus épais, expliquent les chercheurs, est de limiter les pertes de courant électrique. De plus, l'équipe a poussé très loin le mode d'économie d'énergie en ajoutant des transistors supprimant complètement l'alimentation électrique de l'unité de calcul lorsque le processeur est au repos. Pour un circuit qui ne se réveille que de temps à autre pour effectuer un court travail, la consommation au repos est en effet déterminante pour l'autonomie. Enfin, l'alimentation électrique est des plus réduites, ce circuit ascétique n'ayant besoin que de 500 millivolts, quatre fois moins que les processeurs les plus sobres de l'informatique.

Les applications envisageables sont multiples, en médecine mais aussi partout où il faut installer des capteurs pour surveiller l'évolution de paramètres, température, pression, teneur en polluants, etc.