IBM Research Alliance, le bras armé de Big Blue pour la fabrication des processeurs, a annoncé qu’en association avec 2 partenaires, Global Foundries et Samsung, il proposerait des circuits gravés en 5 nm dès 2020/2022. Mais pour quoi faire ?

Les dérives de la loi de Moore

Depuis qu’à la fin des années 60, Gordon Moore a exprimé chez Intel, sa fameuse loi, on cherche à démontrer qu’elle est toujours vérifiée et surtout qu’il faut à tout prix la vérifier. Comme si cette loi était inéluctable et plus qu’un témoin des progrès technologiques, elle était devenue un objectif.

Avec en arrière-plan, toujours le même argument, à savoir que plus on met de transistors dans le même espace, plus on diversifie la logique de traitement et on la rend compatible avec les exigences des jeux d’instructions modernes.

Ce qui est vrai, mais pas sans inconvénients et surtout pas nécessairement justifié.

Il est exact que les jeux d’instructions actuels, type x86, sont beaucoup plus complexes que par le passé, avec des fonctions de sécurité, de virtualisation, etc, qui n’existaient pas il y a quelques années. Et on peut très bien comprendre que pour un serveur cette contrainte soit incontournable. Mais pour un PC, un mobile et plus encore un capteur, quel intérêt a-t-elle ?

On nous dit aussi que les processeurs seront plus rapides.

Ce qui est encore vrai. Dans la mesure où la diminution de la gravure, permet de multiplier le nombre de « cores » et donc mathématiquement de mieux parralléliser le code.

Mais encore faut-il pouvoir en profiter. La parallélisation se heurtant à un triple obstacle :

  • les applications ne sont pas toutes éligibles
  • il faut disposer d’un framework, pour la mettre en œuvre
  • il faut disposer du « savoir-faire » adéquat, ce qui est tout sauf évident

Admettons quand même que l’argument est recevable.

Voyons maintenant les inconvénients.

Contrairement aux prévisions, nous n’arrivons toujours pas à limiter « sérieusement » le dégagement de chaleur induit par le déplacement des charges électroniques dans le silicium. Certes, on a fait des progrès en « organisant » la consommation avec des modes veille, en « background » et d’économie d’énergie dans le jeu d’instructions, mais sans rien changer au processus lui-même.

Et ce ne sont pas les « incantations » des chercheurs sur la supraconductivité et le graphène, qui changeront quoi que ce soit à cet état de fait.

On n’y peut rien. Dès que les électrons bougent, ça chauffe. Et s’il y a beaucoup de transistors, donc beaucoup d’électrons en mouvement, ça casse !!!

Depuis de nombreuses années, la bataille fait rage entre les tenants d’une architecture complexe, ici symbolisée par le Xeon d’Intel et ceux qui préfèrent un jeu d’instructions réduit, RISC, dédié à une activité déterminée. Pendant longtemps le monde Unix a été le principal soutien du mode RISC. Mais cette-fois ce sont les mobiles avec ARM qui prennent la relève.
Une complexité inutile

Contrairement à Intel (…), ARM a bien compris que dans de nombreux cas, la complexité native d’un circuit CISC x86 est inutile. Et qu’il vaut mieux imaginer des jeux d’instructions plus réduits, des RISC (Reduced Instruction Set Computer), adaptés aux domaines visés, que de miser sur des processeurs à usage général, dont on ne se servira (médiocrement) qu’en partie. Ce qui, au passage, lui a fait gagner plus de 90 % de parts de marché sur les mobiles ! Preuve qu’il avait raison.

Hors serveurs –en encore, ça se discute- l’avenir est à la spécialisation, aux processeurs dédiés ou personnalisés, qui sauront exécuter efficacement une certaine catégorie de tâches, mais rien de plus. Dans le domaine industriel, par exemple, pour des applications de sécurité, pour des boîtiers de BI fondés sur des ontologies, pour l’Intelligence Artificielle et les réseaux neuronaux, etc.

De sorte que l’exploit technologique annoncé par IBM, d’une gravure à 5 nm, est certes intéressante au plan intellectuel et de la recherche, mais beaucoup moins sur le « terrain ».

Il est vrai que l’on peut être admiratif devant le fait que l’on pourra emmagasiner 30 milliards de transistors en 2020/2022 sur un même « chip », mais encore une fois, pour quoi faire ? Si ce n’est pour concevoir des processeurs dédiés extraordinairement performants.

L’autre argument d’IBM, qui consiste à dire que le 5 nm améliore de 40 % les performances du circuit, à consommation égale, nous semble beaucoup plus recevable.

On aimerait d’ailleurs savoir comment IBM s’y prend pour y arriver, car si vous mettez 100 radiateurs dans une même pièce, il fera toujours plus chaud que si vous n’en mettez que 10.

Mais faisons confiance à IBM. En tant que fondeur, avec Intel, il a pratiquement tout inventé dans le domaine et il a forcément trouvé les « astuces » pour qu’il en soit ainsi…

Les chiffres sont vertigineux. Les premiers circuits ont été gravés en 10 microns, à la fin des années 60, soit 2 000 fois plus qu’en 5 nm. Et si l’on en croit le « professeur » Moore, on devrait continuer à ne pas le faire mentir, dans les années à venir. Mais il faudra quand même qu’un jour cela s’arrête, la limite devant être celle des dimensions atomiques. On y est presque, encore un petit effort…Sauf que pour fabriquer les futurs processeurs sub nanomètriques, il faudra sans doute aller sur la planète Mars, là où il n’y a pas d’air. A la rigueur, sur la lune…
Une prouesse technologique

Cette course à la finesse nous paraît d’autant plus contestable qu’elle est le fruit de prouesses technologiques incroyables.

Il suffit pour s’en convaincre de faire un petit calcul.

5 nm cela représente 5 milliardièmes de mètre, soit 50 x 10 -10 m.

Or, si vous vous rappelez vos cours de physique, vous savez que la distance qui sépare le seul électron du noyau d’un atome d’hydrogène est de 0,58 Angstroem, soit 0,58 x 10 – 10 m.

Et si nous savons encore faire une division, cela veut dire que le 5 nm ne représente à peu près que 80 fois cette fameuse distance intra-atomique. Autrement dit, on n’en est plus qu’à quelques encâblures…

Et vous ne serez pas étonnés si on vous dit que pour fabriquer des processeurs à ce niveau de finesse, ce n’est certainement pas avec un fer à souder que l’on y parviendra.

Les usines et les process de fabrication qu’il faut mettre en œuvre n’ont alors rien à envier à ceux de l’industrie spatiale où la moindre micro-poussière devient un obstacle aussi infranchissable que l’Everest.

Alors pourquoi se donner tant de peine ?

A l’aube d’une nouvelle industrie

Si IBM, Samsung, Intel, mais aussi le taïwanais TSMC (Taïwan Semiconductor Manufacturing Co) avec ARM, cherchent à réduire leur finesse de gravure, c’est quand même que le jeu en vaut la chandelle. Pour IBM et Intel, on le voit bien, c’est le marché des serveurs qui est visé. Pour Samsung, ARM et TSMC, c’est celui des mobiles qu’ils convoitent. Sachant qu’un smartphone de 2017 est aussi complexe qu’un (très) gros ordinateur des années 90 et que la multiplicité des usages dont il est le support, entraîne « géométriquement » celle de la complexité du jeu d’instructions…et donc du nombre de transistors, etc.

En 2017, les fondeurs capables de fabriquer des circuits en dessous de 10 nm, à 7 et à 5 nm, se comptent sur les doigts de la main. Et si l’on prend en considération les investissements colossaux que ces technologies entraînent, ce sera probablement encore le cas pendant de nombreuses années.

Ce qui fera émerger une nouvelle industrie, celle de prestataire de gravure sub 10 nm. Qui proposeront leur savoir-faire à des industriels moins fortunés ou moins performants. Ce que fait d’ailleurs déjà Intel, qui loue ses installations à ses propres concurrents pour graver en 14 nm. Rien ne l’empêchera demain, ni IBM, d’en faire autant avec le 5 nm.