Une nouvelle conception de puce rapproche l'informatique IA écoénergétique des téléphones et des ordinateurs portables.
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Dans le cadre du projet CONVOLVE, des chercheurs ont utilisé avec succès de nouvelles techniques de conception de puces pour développer des puces de calcul d'IA puissantes au plus près du lieu de génération et d'utilisation des données, un phénomène souvent appelé informatique de périphérie.
L'objectif des chercheurs travaillant sur le projet CONVOLVE était de trouver une nouvelle façon de concevoir des puces intelligentes et performantes capables d'exécuter des calculs d'IA au plus près de l'utilisateur, directement sur ses ordinateurs portables et smartphones. Les chercheurs de l'Université de technologie d'Eindhoven (TU/e) et leurs partenaires de l'équipe CONVOLVE ont présenté leurs résultats lors de la conférence ESSERC de cette année en Espagne.
« Nous cherchions à concevoir et à fabriquer une puce performante pour le calcul en périphérie », explique Manil Dev Gomony, chercheur principal. « Cela signifie qu'un utilisateur qui pose une question à une IA peut exécuter le modèle localement, sur son appareil, à la périphérie du cloud, au lieu d'envoyer cette commande à un centre de données distant quelque part sur Terre et d'attendre la réponse. »
« Nous avons également besoin d'une puissance de calcul rapide et efficace pour ces centres de données dans nos foyers », a déclaré Gomony, professeur de conception de matériel numérique basse consommation.
« De plus, nous trouvons de plus en plus d'appareils intelligents dans nos maisons (panneaux solaires, véhicules électriques, pompes à chaleur, systèmes de stockage d'énergie domestique, etc.) qui doivent déterminer rapidement le meilleur mode de fonctionnement, compte tenu de la congestion du réseau, des prix de l'énergie et de nombreuses autres variables. »
C’est pourquoi Gomony et ses collègues ont développé et fabriqué une puce puissante pour effectuer certains calculs d’IA au plus près de l’utilisateur : sur son propre appareil et avec une consommation d’énergie réduite.
Informatique de périphérie versus cloud
En 2022, lorsque les chercheurs de l'Université de technologie d'Eindhoven (TU/e) ont lancé leur projet , l'utilisation de l'IA était déjà bien répandue. La croissance exponentielle de l'utilisation de l'IA générale (GenAI) prévue pour 2026 est stupéfiante et exerce une pression toujours plus forte sur les puces haute performance utilisées dans les grands centres de données. Cette situation entraîne une augmentation de la consommation d'énergie et la construction de centres de données gigantesques, qui consomment d'énormes quantités d'eau et ont des conséquences néfastes sur l'environnement.
Ce sont précisément ces problèmes que Gomony et ses collègues espèrent résoudre grâce à leur approche révolutionnaire de la conception des puces et de la puissance de calcul.
« Effectuer les calculs au plus près de l'utilisateur consomme moins d'énergie que d'envoyer ces requêtes aux centres de données de supercalculateurs actuellement utilisés. De plus, les puces utilisées dans ces centres sont volumineuses et chauffent énormément, nécessitant ainsi leurs propres systèmes de refroidissement intégrés, ce qui engendre des nuisances pour les collectivités locales. Par conséquent, elles sont non seulement énergivores, mais aussi beaucoup trop encombrantes pour être intégrées à un ordinateur portable, un appareil domotique ou un smartphone. »
Approche de conception différente
L'une des innovations majeures de l'équipe CONVOLVE, menée par l'Université de technologie d'Eindhoven (TU/e), a été la méthodologie de conception des puces. Ils ont développé une méthodologie spécifiquement axée sur la fabrication de puces à faible consommation énergétique. Grâce à leurs partenaires de recherche à Louvain, Delft et Zurich, ainsi qu'à de nombreux partenaires industriels apportant chacun une expertise unique au projet, ils sont parvenus à concevoir et à réaliser la puce qu'ils avaient tous imaginée. Leurs mesures témoignent de leur réussite.
Gomony a déclaré : « Dans le cadre du projet CONVOLVE, nous avons utilisé une approche de conception intercouches . Cela signifie qu'au lieu de développer indépendamment l'algorithme d'IA, l'architecture du processeur, le système de mémoire et les circuits, l'équipe a optimisé ces couches ensemble. »
« Cela nous permet d'équilibrer plusieurs aspects importants des propriétés de la puce (tels que la précision, la programmabilité, la vitesse de traitement, la surface de silicium et la consommation d'énergie) dès le début du processus de conception. »
Combinaison
« Nous avons combiné des processeurs RISC-V programmables avec des accélérateurs d'IA spécialisés, notamment des techniques de calcul centrées sur la mémoire et neuromorphiques, afin d'atteindre nos objectifs. C'était essentiel car nous souhaitions réduire les transferts de données entre la mémoire et les unités de traitement. Ce choix visait à économiser de l'énergie dès la conception. Les transferts de données représentent souvent une source importante de consommation énergétique dans les matériels d'IA, y compris notre puce. »
Gomony a déclaré : « Pour prouver que nous avions atteint ces objectifs, nous avons évalué des prototypes de puces que nous avions fabriquées, et non pas seulement des simulations. Notre équipe a appliqué des charges de travail d’IA réalistes à la puce afin d’observer ses performances. Les chercheurs ont mesuré l’efficacité énergétique, le débit, la latence, la surface de silicium et la précision de l’application, puis ont comparé les résultats avec des conceptions existantes pertinentes. Les résultats ont confirmé nos hypothèses. »
Une réponse européenne
La puissance de calcul a connu une augmentation fulgurante. L'une des unités de mesure de la vitesse de calcul est le pétaflop ; un pétaflop correspond à 1 000 000 000 000 000 calculs mathématiques par seconde. En 2010, cela aurait nécessité la puissance de 625 000 iPhone 4.
« Il suffit de voir l'évolution de la puissance de calcul. Il y a dix ans, un supercalculateur était capable de traiter 1 pétaflops », poursuit Gomony. « C'est ce type de puissance de calcul que les leaders industriels américains sont désormais prêts à mettre à la disposition des consommateurs, avec tous les inconvénients que cela implique : une faible autonomie et des appareils lourds et encombrants. »
« C’est pourquoi nous avons besoin d’une alternative européenne abordable, écologique et bien conçue – et les technologies de puces développées dans le cadre de CONVOLVE offrent précisément cela ! Je suis convaincu que notre conception et notre méthodologie contribueront à la compétitivité de l’Europe dans le domaine des processeurs intelligents pour l’informatique de périphérie. De plus, nos partenaires industriels auront un avantage certain, car ils pourront être les premiers à tester nos nouvelles puces et à appliquer notre méthodologie à leurs domaines d’expertise. »