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Il y a un après à la loi de Moore

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Les circuits logiques programmables s’offrent un nouveau débouché comme relais à la loi de Moore. Une perspective qui suscite de grandes manœuvres dans les semiconducteurs.

Il y a un après à la loi de Moore

Les entreprises citées

En partenariat avec Industrie Explorer

Les circuits logiques programmables sortent de l’ombre pour devenir les puces stars des semiconducteurs. Et pour cause : ils s’imposent comme la solution providentielle au ralentissement, voire à la fin de la loi de Moore. Une évolution qui leur ouvre un débouché inédit d’accélérateurs de traitement dans les centres de données et pousse des géants comme Intel, IBM et Qualcomm à de grandes manœuvres.

La loi de Moore, qui a fêté ses 50 ans en 2015, prévoit le doublement de la puissance des puces électroniques tous les deux ans grâce à la miniaturisation de la gravure des transistors. Harry Shum, le patron de Microsoft Research, est convaincu qu’elle touche à sa fin. En témoignent les difficultés rencontrées par Intel dans la production de ses dernières générations de microprocesseurs. Le numéro un mondial des semiconducteurs a subi un retard de plus de six mois dans le lancement de la génération de 14 nanomètres et a dû reporter d’un an la sortie de celle de 10 nanomètres au second semestre 2017. « La loi de Moore ne suit plus le rythme de deux ans, justifie Brian Krzanich, le patron du groupe. Elle suit désormais un cycle plus long, de deux ans et demi à trois ans. »

Or pas de pause dans la croissance des besoins de traitement. « Au contraire, avec la banalisation des usages mobiles, le passage au cloud computing et le développement du big data et de l’internet des objets, les besoins d’accélérer le traitement dans les datacenters augmentent, estime Harry Shum. À court terme, les circuits logiques programmables constituent la seule solution. Cela a été démontré au niveau pilote. Il faut passer au stade de la production. » Connus sous les sigles FPGA (field programmable gate array), CPLD (Complex programmable logic device) ou PLD ­(Programmable logic device), ces circuits ne sont pas ­nouveaux. Inventés au début des années 1980 par des sociétés américaines comme Altera, Actel ou Xilinx pour interfacer les puces standards au sein d’un système électronique, ils sont disponibles comme composants standards. C’est l’utilisateur qui leur attribue une fonction spécifique en y programmant son application.

Moins de serveurs dans les datacenters

Cette capacité à faire du spécifique à partir du standard en fait aussi une alternative attractive aux Asic, ces circuits taillés sur mesure, mais dont le développement est long (jusqu’à deux ans), coûteux (jusqu’à plusieurs dizaines de millions d’euros) et risqué (un échec oblige à tout recommencer). Leur souplesse d’emploi en fait une solution très prisée, non seulement dans les phases de prototypage et de fabrication pilote, mais aussi en phase de croisière de produits dans des secteurs comme l’aérospatiale, le militaire, le ferroviaire, le médical ou l’instrumentation, où les volumes ne sont pas suffisants pour justifier la création d’Asic. Au prix toutefois d’une puce d’une taille jusqu’à 40 % plus grande et d’une consommation de courant 20 à 30 % supérieure. « Mais ces défauts tendent à s’atténuer avec le passage à des gravures de 28, 20, 16 ou 14 nanomètres, note Gilles Garcia, le directeur marketing de Xilinx, le numéro un mondial de ces circuits. Si bien qu’aujourd’hui la consommation d’un FPGA est comparable, dans 60 à 70 % des cas, à celle de son équivalent Asic. C’est une grande surprise pour les gens. » Et les circuits logiques programmables n’ont plus rien à envier aux microprocesseurs en termes d’intégration, comme en témoigne le produit à 19?milliards de transistors de Xilinx.

Les datacenters leur ouvrent un marché énorme. « Ici, leur utilisation n’est pas nouvelle, explique Tom ­Hackenberg, analyste chez IHS. Ils sont employés pour configurer un protocole de réseau, puis pour le répliquer dans plusieurs matériels avec la même puce. C’est un atout important en conception. Autre avantage : leur configurabilité sur site est mise à profit pour adapter les équipements en service à l’évolution des protocoles de réseaux, des stratégies de sécurité ou d’autres caractéristiques critiques de conception. »

La nouveauté réside dans l’emploi des FGPA comme accélérateurs de traitement. L’idée est d’associer au processeur classique un circuit logique programmable configuré pour effectuer des tâches de prétraitement de données qui rendent leur exécution par le processeur plus rapide. Le FPGA tire sa rapidité du fait qu’il exécute sa fonction de façon électronique câblée dans le silicium, alors qu’un processeur classique le fait de façon logicielle. « Dans des applications comme le big data, le machine learning, la reconnaissance faciale ou le séquençage d’ADN, le traitement peut être accéléré par un facteur 30 à 40, estime Gilles Garcia. Avec des enjeux économiques considérables, car il est possible de réduire de 20 à 30 % le nombre de serveurs dans les datacenters. » Microsoft utiliserait déjà les FPGA d’Altera, le numéro?deux du marché, pour limiter l’inflation des serveurs dans ses datacenters et réduire le coût de son infrastructure cloud. Un avantage que d’autres géants d’internet comme ­Amazon, Google ou Facebook observent avec intérêt. Selon IHS, le nombre de PLD déployés dans des équipements de ­datacenters comme les serveurs, routeurs et commutateurs de données devrait passer de 90?millions en 2014 à 135?­millions en 2019.

Intel a fait de la maîtrise de cette technologie une priorité de sa stratégie de recentrage sur les datacenters. Il a mis 16,7?milliards de dollars pour racheter Altera, une société dont le chiffre d’affaires en 2016 est estimé à… 1,6?milliard de dollars. Avec cette acquisition, la plus grande de son histoire, il va proposer des solutions combinant dans le même boîtier son processeur Xeon pour serveurs avec un accélérateur d’Altera, avant de les intégrer plus tard dans la même puce.

IBM, présent dans les serveurs à hautes performances avec son processeur Power, a opté pour un partenariat stratégique avec Xilinx. Qualcomm, qui affiche de grandes ambitions de diversification dans les datacenters, a fait de même. Cette course fait de Xilinx une proie particulièrement convoitée. Parmi les prédateurs en embuscade figurent Qualcomm, Broadcom, Avago ou encore HiSilicon, le bras armé de Huawei dans les semiconducteurs. La bataille de l’après-loi de Moore ne fait que commencer. 

La puce à 19?milliards de transistors


Les circuits logiques programmables mènent désormais la course à l’intégration électronique. En témoigne le Virtex VU440 en cours d’échantillonnage chez Xilinx, le numéro un mondial du secteur. Dans un seul composant, il réunit un record de 19?milliards de transistors. Soit près de dix fois plus que les processeurs les plus puissants chez Intel, AMD ou IBM. Gravé en 20 nanomètres chez le fondeur taïwanais TSMC, il est formé par assemblage de quatre puces disposées côte à côte sur un substrat en silicium puis interconnectées via des dizaines de milliers de liaisons électriques intégrées dans le silicium. Les applications en sont les radars, les équipements vidéo 8K, les matériels de transmission optique… 

Une technologie pour…

  • Interfacer plusieurs puces standards
  • Remplacer des Asic, des circuits taillés sur mesure
  • Accélérer des traitements dans les centres de données

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