Les ordinateurs portables, smartphones et tablettes deviennent chaque année plus abordables, plus élégants et plus performants, avec une autonomie de batterie en constante progression. Vous êtes-vous déjà demandé pourquoi, et si ces améliorations peuvent durer éternellement ?
La réponse repose sur trois lois fondamentales découvertes par des chercheurs : la loi de Moore, le scaling de Dennard et la loi de Koomey. Découvrez leur impact sur l'informatique et les perspectives futures.
Si vous suivez l'actualité tech, vous connaissez probablement la célèbre loi de Moore.
Énoncée en 1965 par Gordon Moore, co-fondateur et PDG d'Intel, elle prédisait que le nombre de transistors sur une puce doublerait tous les deux ans, tout en devenant 20 à 30 % moins cher à produire. Le premier processeur Intel de 1971 comptait 2 250 transistors sur 12 mm2. Aujourd'hui, les puces intègrent des centaines de millions de transistors par mm².
Initialement une prédiction, cette loi est devenue une feuille de route pour l'industrie. Pendant cinq décennies, sa prévisibilité a permis aux entreprises de planifier à long terme, sachant que les technologies impossibles aujourd'hui le deviendraient demain.
Cette dynamique a transformé de nombreux domaines, des graphismes des jeux vidéo aux capteurs photo à mégapixels croissants.
Cependant, la loi de Moore approche de ses limites physiques. Gordon Moore lui-même estime que les progrès ralentiront d'ici la fin de la décennie, malgré les innovations des fabricants. Mais elle n'est pas la première à s'essouffler.
En 1974, Robert Dennard, chercheur chez IBM, observa que la réduction des transistors maintenait leur consommation d'énergie proportionnelle à leur surface.
Le scaling de Dennard impliquait une réduction de 50 % de la surface tous les 18 mois, augmentant la fréquence d'horloge de 40 % sans hausse de consommation.
En clair, les calculs par watt progressaient exponentiellement, rendant les transistors plus rapides, moins chers et économes.
À cette époque, les gains de performance étaient prévisibles : plus de transistors et fréquences plus élevées. Pour les consommateurs, c'était simple : 3 GHz battait 2 GHz.
La feuille de route ITRS prévoyait même 12 GHz d'ici 2013 ! Pourtant, les processeurs haut de gamme plafonnent aujourd'hui à 4,1 GHz en base. Pourquoi ?
Vers 2004, les gains d'énergie ont cessé de suivre la densité des transistors. Trop petits, ils laissaient fuiter le courant, causant surchauffe, erreurs et défaillances – d'où les ventirads massifs.
Le scaling de Dennard a buté sur les lois de la physique.
Pour maintenir les performances, les fabricants ont multiplié les cœurs. Mais le multi-cœur est moins efficace qu'une hausse de fréquence mono-cœur. La plupart des logiciels ne parallélisent pas bien, et la mémoire/cache/energy deviennent des goulots.
Ce virage a inauguré l'ère du "silicium sombre".
Trop de cœurs actifs simultanément réactivent les fuites de courant et la surchauffe.
Résultat : les puces ne peuvent activer tous leurs cœurs. Plus on en ajoute, plus on doit en désactiver ou throttler – le "silicium sombre".
La loi de Moore fournit plus de transistors, mais le dark silicon les rend inutilisables. Le multi-cœur atteint une impasse.
Améliorer le logiciel multi-threadé (Go remplaçant Java/C++), adopter les FPGA personnalisables pour tâches spécifiques (vidéo, IA), explorer graphène ou informatique quantique.
En 2011, Jonathan Koomey montra que l'efficacité énergétique de pointe (calculs/joule) doublait tous les 1,57 ans, des tubes à vide aux laptops des années 90.
La consommation par tâche halvait tous les 19 mois, divisée par 100 tous les 10 ans.
Dans l'ère des devices multiples et du cloud, l'efficacité énergétique prime sur les GHz bruts.
Depuis 2000, le rythme a ralenti (tous les 2,6 ans), mais AMD Ryzen 7 4800H (2020) x31,7 vs 2014 redonne du pep's.
L'efficacité de pointe est dépassée. L'usage typique (web, emails) domine. Koomey propose "efficacité d'utilisation typique" : doublement tous les 1,5 ans de 2008-2020.
Les puces minuscules récolteront énergie ambiante (chaleur, lumière), boostant l'IoT et reléguant les smartphones actuels au rang de reliques.
À terme, l'usage typique deviendra négligeable, recentrant sur le pic – jusqu'aux limites thermodynamiques vers 2048.
D'ici là, l'informatique quantique et transistors atomiques domineront, ouvrant une nouvelle ère de lois prédictives.
