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Apple et TSMC lancent un nouveau cycle du semi-conducteur

par Etienne Henri
Apple et TSMC lancent un nouveau cycle du semi-conducteur

[La puce Apple M1 Max révélée en octobre signe l’avènement d’une nouvelle ère pour les puces informatiques. Elle est plus puissance et consomme moins. Etienne Henri vous explique pourquoi ce tour de force d’Apple engage l’ensemble du secteur des semi-conducteurs et risque de rebattre les cartes entre les fabricants. Nvidia, Intel et AMD vont devoir réagir.]

Imaginez que, du jour au lendemain, un constructeur automobile double la vitesse maximale et l’accélération de ses véhicules.

Même encombrement, même consommation, même fiabilité, mais deux fois plus de puissance – et le tout à prix inchangé.

Imaginez maintenant que ces progrès ne concernent pas que la performance de pointe mais se répercutent sur tous les usages. En ville, la consommation aux 100 km serait, brutalement, divisée par trois. A style de conduite égal, chaque plein permettrait de rouler deux fois plus longtemps.

Ce type de saut technologique et bien sûr impossible dans le monde de l’automobile et dans la plupart des produits du quotidien. Contraints aux progrès linéaires et marginaux, les industriels peinent à augmenter les performances de plus de quelques pourcents entre chaque génération.

Le monde du semi-conducteur, lui, obéit à des lois différentes. Capable de progrès exponentiels, les concepteurs et fondeurs de puces peuvent rendre obsolète du jour au lendemain des gammes entières en apportant, en quelques mois, plus d’améliorations que quinze ans d’évolutions passées.

C’est ce que viennent de faire Apple et TSMC en annonçant une nouvelle génération de processeurs mobiles, dévoilée le 18 octobre et intégrée dans de nouveaux ordinateurs portables. 

  Apple et TSMC lancent un nouveau cycle du semi-conducteur

Le M1 Max éclipse ce qui se faisait de mieux chez Intel comme AMD. Photo : Apple

Tout comprendre aux performances des semi-conducteurs

Comme tout produit industriel, le semi-conducteur est à la fois tributaire des limites technologiques du moment, de la qualité de la R&D, mais surtout des compromis faits lors de la réalisation.

Il existe par conséquent plusieurs manières de mesurer la performance des processeurs qui équipent nos ordinateurs et smartphones.

La puissance brute (nombre d’opérations effectuées en une seconde) est la mesure la plus facile à appréhender. Il s’agit de la capacité à traiter les informations.

La bande passante en mémoire en est une autre. Les informations traitées par les processeurs sont stockées sur des mémoires plus ou moins rapides, et les puces de calcul passent la plupart de leur temps à attendre les données – même lors des phases d’utilisation intensive. Plus les données peuvent circuler rapidement, plus les performances sont grandes.

Ce qui limite aujourd’hui les industriels pour augmenter puissance brute et bande passante est l’échauffement. La chaleur émise tend à augmenter avec le carré de la performance, et doubler la puissance revient à quadrupler, toutes choses égales par ailleurs, la consommation électrique (donc la chaleur). Or, les transistors nanométriques des processeurs sont très sensibles aux fluctuations thermiques, et évacuer la chaleur à cette échelle n’a rien de trivial.

A mesure que la température augmente, les erreurs se multiplient – et la puce peut même être purement et simplement détruite par la surchauffe.

La mesure la plus pertinente aujourd’hui pour quantifier la performance potentielle d’une puce est donc son rapport performance/watt. Elle indique quelle puissance brute est disponible pour chaque unité d’énergie consommée, ce qui conditionne à la fois la sobriété énergétique dans les (fréquents) moments d’inactivité et la puissance de crête atteignable lors des usages intensifs.

Changement d’échelle pour les puces mobiles

La dissipation thermique a commencé à être un problème dans les années 2000. Le géant Intel s’est retrouvé dans une impasse technologique avec ses Pentium 4 dont l’échauffement était hors de contrôle. Cela a conduit à une stagnation de la puissance des processeurs et à l’abandon de cette architecture.

La gamme Core, commercialisée depuis 2006, a apporté un nouveau souffle qui s’est, à son tour, rapidement épuisé. Depuis près de quinze ans, les progrès en matière de performance par watt consommé sont anecdotiques.

La nouvelle architecture M1Max, conçue par Apple et produite par TSMC, vient rebattre les cartes. Faisant voler en éclat les compromis qui bridaient l’innovation depuis les années 2000, elle se permet d’être plus performante que les processeurs d’Intel et AMD sur tous les critères simultanément.

Au niveau des performances brutes, la puce M1Max est, selon les premiers tests publiés en conditions réelle, +69 % plus puissante que le Core i9 9980 d’Intel qui équipait les machines équivalentes de la gamme précédente.

Au niveau de la bande passante mémoire, elle atteint les 400 Go/s. A cette vitesse, il est possible de faire transiter l’équivalent de seize jours de vidéo HD (24h/24) par le processeur chaque seconde. A titre de comparaison, un Core i9 relié à de la mémoire DDR4-2666 atteignait au mieux les 39,7 Go/s. Le gain atteint ici les 1000 %.

Toute cette puissance pourrait être acquise au prix d’une consommation énergétique débridée. Il n’en est rien, le rapport performance/watt du M1Max est, selon le constructeur, jusqu’à trois fois plus important que celui des Core d’Intel.

Apple et TSMC lancent un nouveau cycle du semi-conducteur

Performance en fonction de la consommation. Plus les courbes sont hautes et à gauche du graphique, meilleur est le rapport performance/watt Données : Apple 

Les lois de la physique étant inchangées, cette augmentation radicale des performances sur tous les critères simultanément signifie qu’Apple et TSMC ont réussi, avec cette nouvelle gamme, à faire entrer l’informatique mobile dans une nouvelle ère de progrès après une décennie de stagnation. Les deux entreprises n’ont pas simplement déplacé le curseur du compromis puissance/échauffement comme le font Intel et AMD pour segmenter leurs gammes : elles ont fait naître une nouvelle plate-forme aux caractéristiques incomparables.

Cerise sur le gâteau, les industriels se payent le luxe de fabriquer ce processeur à coût modique. Selon des analystes de chez IBM, la gamme M1 ne coûterait que 50 $ à produire, contre plusieurs centaines de dollars pour un Core i9.

Des conséquences en cascade

Ce coup de tonnerre technologique va avoir des répercussions en cascade dans le monde de la tech.Il confirme, si besoin était, la symbiose qui existe entre l’architecture ARM qui permet aux concepteurs comme Apple d’inventer des puces toujours plus performantes et les finesses de gravure avancées. La gamme M1 n’aurait pu naître sans TSMC et sa gravure en 5 nm, et il ne fait aucun doute que le 3 nm jouera un rôle prépondérant dans l’émergence des nouvelles générations.

Il va, ensuite, remettre à plat les rapports de force du marché des processeurs informatiques. L’arrivée des Core d’Intel avait mis un coup d’arrêt à la croissance insolente d’AMD, celle du M1 pourrait bien mettre simultanément les deux frères ennemis dans de grandes difficultés. L’arrivée du M1 va aussi brouiller la frontière qui existait entre processeurs et cartes graphiques. ATI et Nvidia ont fait leurs choux gras de l’essor de l’intelligence artificielle, du gaming en haute-définition et du minage de crypto-monnaies. Toutes ces tâches, qui justifiaient de dépenser des fortunes pour des cartes graphiques haut de gamme, sont parfaitement assurées par le M1 pour une fraction du prix.

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Sur les calculs dédiés aux cartes graphiques, le M1Pro apporte la même performance en utilisant trois fois moins d’énergie. Données : Apple

Chez les particuliers, dans les serveurs de calcul et pour les tâches de Machine Learning, la nouvelle architecture rend obsolète l’achat de cartes graphiques dédiées. A terme, le marché des cartes graphiques pourrait purement et simplement disparaître pour 99 % des usages.

Une fois de plus, la Tech nous prouve qu’elle se prête comme aucun autre secteur aux surprises qui bouleversent les équilibres industriels en place. Il est désormais clair que les grands gagnants du monde du semi-conducteur de la décennie 2020 ne seront pas ceux des années 2010.

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