Cela fait six décennies qu’Ivan Sutherland a créé Sketchpad, un système logiciel qui a prédit l’avenir de l’informatique interactive et graphique. Dans les années 1970, il a joué un rôle dans le ralliement de l’industrie informatique pour construire un nouveau type de micropuce avec des centaines de milliers de circuits qui deviendrait la base de l’industrie des semi-conducteurs d’aujourd’hui.
Aujourd’hui, le Dr Sutherland, qui a 84 ans, estime que les États-Unis échouent à un moment crucial à envisager des technologies alternatives de fabrication de puces qui permettraient au pays de reprendre le leadership dans la construction des ordinateurs les plus avancés.
En s’appuyant sur des circuits électroniques surfondus qui commutent sans résistance électrique et, par conséquent, ne génèrent pas de chaleur excessive à des vitesses plus élevées, les concepteurs d’ordinateurs pourront contourner le plus grand obstacle technologique aux machines plus rapides, affirme-t-il.
“La nation qui saisira le mieux l’opportunité des circuits numériques supraconducteurs bénéficiera de la supériorité informatique pendant des décennies”, a récemment écrit lui et un collègue dans un essai qui a circulé parmi les technologues et les responsables gouvernementaux.
Les idées du Dr Sutherland sont importantes en partie parce qu’il y a des décennies, il a contribué à créer l’approche dominante d’aujourd’hui pour fabriquer des puces informatiques.
Dans les années 1970, le Dr Sutherland, qui était président du département d’informatique du California Institute of Technology, et son frère Bert Sutherland, alors directeur de recherche dans une division de Xerox appelée Palo Alto Research Center, ont présenté l’informaticienne Lynn Conway au physicien Carver Mead.
Ils ont lancé une conception basée sur un type de transistor, connu sous le nom de semi-conducteur à oxyde métallique complémentaire, ou CMOS, qui a été inventé aux États-Unis. Il a permis de fabriquer les micropuces utilisées par les ordinateurs personnels, les jeux vidéo et la vaste gamme de produits commerciaux, grand public et militaires.
Maintenant, le Dr Sutherland soutient qu’une technologie alternative qui est antérieure au CMOS et qui a connu de nombreux faux départs devrait être réexaminée. L’électronique supraconductrice a été lancée au Massachusetts Institute of Technology dans les années 1950, puis poursuivie par IBM dans les années 1970 avant d’être largement abandonnée. À un moment donné, il a même fait un étrange détour international avant de retourner aux États-Unis.
En 1987, Mikhaïl Gorbatchev, le dernier dirigeant soviétique, a lu un article dans le journal russe Pravda décrivant une avancée étonnante dans le calcul à basse température réalisée par Fujitsu, le géant japonais de la microélectronique.
M. Gorbatchev était intrigué. N’était-ce pas un domaine, voulait-il savoir, où l’Union soviétique pouvait exceller ? La tâche de donner un briefing de cinq minutes au Politburo soviétique revenait finalement à Konstantin Likharev, un jeune professeur agrégé de physique à l’Université d’État de Moscou.
Lorsqu’il a lu l’article, cependant, le Dr Likharev s’est rendu compte que le journaliste de la Pravda avait mal lu le communiqué de presse et a affirmé que la puce de mémoire supraconductrice de Fujitsu était cinq ordres de grandeur plus rapide qu’elle ne l’était.
Le Dr Likharev a expliqué l’erreur, mais il a noté que le domaine était toujours prometteur.
Cela a déclenché une série d’événements grâce auxquels le petit laboratoire du Dr Likharev a reçu plusieurs millions de dollars en soutien à la recherche, ce qui lui a permis de constituer une petite équipe de chercheurs et, éventuellement, après la chute du mur de Berlin, de déménager dans le États-Unis. Le Dr Likharev a pris un poste de physique à l’Université Stony Brook à New York et a aidé à démarrer Hypres, une société de supraconducteurs numériques qui existe toujours.
L’histoire aurait pu s’arrêter là. Mais il semble que cette technologie insaisissable gagne du terrain une fois de plus car les coûts de fabrication des puces modernes sont devenus immenses. Une nouvelle usine de semi-conducteurs coûte entre 10 et 20 milliards de dollars et prend jusqu’à cinq ans pour être achevée.
Le Dr Sutherland soutient que plutôt que de pousser sur une technologie plus coûteuse qui produit des efficacités décroissantes, les États-Unis devraient envisager de former une génération de jeunes ingénieurs capables de sortir des sentiers battus.
Les systèmes informatiques basés sur des supraconducteurs, où la résistance électrique dans les commutateurs et les fils tombe à zéro, pourraient résoudre le problème de refroidissement qui afflige de plus en plus les centres de données du monde.
La fabrication de puces CMOS est dominée par des entreprises taïwanaises et sud-coréennes. Les États-Unis prévoient maintenant de dépenser près d’un tiers d’un billion de dollars d’argent privé et public dans le but de reconstruire l’industrie des puces électroniques du pays et de retrouver sa domination mondiale.
Le Dr Sutherland est rejoint par d’autres dans l’industrie qui pensent que la fabrication CMOS atteint des limites fondamentales qui rendront le coût du progrès intolérable.
“Je pense qu’on peut dire avec une certaine assurance que nous allons devoir changer radicalement notre façon de concevoir les ordinateurs car nous approchons vraiment des limites de ce qui est possible avec notre technologie actuelle basée sur le silicium”, a déclaré Jonathan Koomey, un spécialiste. dans les besoins énergétiques de calcul à grande échelle.
Comme elle a réduit la taille des transistors à la taille de quelques centaines ou milliers d’atomes, l’industrie des semi-conducteurs a été de plus en plus confrontée à une variété de défis techniques.
Les puces de microprocesseur modernes souffrent également de ce que les ingénieurs décrivent comme du “silicium noir”. Si tous les milliards de transistors d’une puce de microprocesseur moderne sont utilisés simultanément, la chaleur qu’ils créent fera fondre la puce. Par conséquent, des sections entières de puces modernes sont arrêtées et seuls certains des transistors fonctionnent à tout moment, ce qui les rend beaucoup moins efficaces.
Le Dr Sutherland a déclaré que les États-Unis devraient envisager des technologies alternatives pour des raisons de sécurité nationale. Les avantages d’une technologie informatique supraconductrice pourraient d’abord être utiles sur le marché hautement concurrentiel des stations de base cellulaires, les ordinateurs spécialisés à l’intérieur des tours de téléphonie cellulaire qui traitent les signaux sans fil, a-t-il suggéré. La Chine est devenue une force dominante sur le marché de la technologie 5G actuelle, mais les puces 6G de nouvelle génération bénéficieraient à la fois de la vitesse extrême et des besoins en énergie nettement inférieurs des processeurs supraconducteurs, a-t-il déclaré.
D’autres dirigeants de l’industrie sont d’accord. “Ivan a raison de dire que le problème d’alimentation est le gros problème”, a déclaré John L. Hennessy, ingénieur électricien, président d’Alphabet et ancien président de Stanford. Il a déclaré qu’il n’y avait que deux façons de résoudre le problème – soit en gagnant en efficacité avec une nouvelle conception, ce qui est peu probable pour les ordinateurs à usage général, soit en créant une nouvelle technologie qui n’est pas liée par les règles existantes.
L’une de ces opportunités pourrait être de concevoir de nouvelles conceptions d’ordinateurs qui imitent le cerveau humain, qui est une merveille d’efficacité informatique à faible consommation d’énergie. La recherche sur l’intelligence artificielle dans un domaine connu sous le nom d’informatique neuromorphique a déjà utilisé la fabrication conventionnelle de silicium.
“Il y a vraiment le potentiel de créer l’équivalent du cerveau humain en utilisant la technologie supraconductrice”, a déclaré Elie Track, directeur de la technologie d’Hypres, la société supraconductrice. Par rapport à la technologie informatique quantique, qui en est encore à ses débuts expérimentaux, “c’est quelque chose qui peut être fait maintenant, mais malheureusement les agences de financement n’y ont pas prêté attention”, a-t-il déclaré.
Le temps de l’informatique supraconductrice n’est peut-être pas encore arrivé, en partie parce que chaque fois que le monde CMOS semble sur le point de rencontrer un dernier obstacle, une ingénierie intelligente l’a surmonté.
En 2019, une équipe de chercheurs du MIT dirigée par Max Shulaker a annoncé avoir construit un microprocesseur à partir de nanotubes de carbone qui promettait 10 fois l’efficacité énergétique des puces de silicium actuelles. Le Dr Shulaker travaille avec Analog Devices, un fabricant de semi-conducteurs à Wilmington, Mass., pour commercialiser une version hybride de la technologie.
“De plus en plus, je crois que vous ne pouvez pas battre le silicium”, a-t-il déclaré. “C’est une cible mouvante, et c’est vraiment bon dans ce qu’elle fait.”
Mais alors que le silicium approche des limites atomiques, des approches alternatives semblent à nouveau prometteuses. Mark Horowitz, un informaticien de Stanford qui a contribué au démarrage de plusieurs entreprises de la Silicon Valley, a déclaré qu’il n’était pas disposé à négliger la passion du Dr Sutherland pour l’électronique supraconductrice.
“Les gens qui ont changé le cours de l’histoire sont toujours un peu fous, vous savez, mais parfois ils sont fous, n’est-ce pas”, a-t-il déclaré.
