L'impact du changement climatique augmente en intensité et en fréquence. Depuis la dernière décennie, les phénomènes météorologiques extrêmes sont plus nombreux et plus fréquents que par le passé. Les incendies de forêt sont plus fréquents, même dans des endroits inattendus, et la montée constante des océans continuera à détériorer de façon dramatique la qualité de vie de la moitié de la population mondiale. la qualité de vie de la moitié de la population mondiale..
Les scientifiques utilisent les superordinateurs les plus puissants pour stocker et traiter les données météorologiques et climatiques, simuler des schémas et modéliser les implications futures du changement climatique. Paradoxalement, ces centres de données consomment une énorme quantité d'énergie !
Depuis le siècle dernier, les ordinateurs à haute performance se sont développés, offrant des calculs plus précis et plus rapides, et aujourd'hui, ils contiennent des milliers de cœurs de processeur nécessitant des bâtiments entiers avec des systèmes de refroidissement coûteux. C'est pourquoi repenser la consommation d'énergie et réduire les émissions de gaz à effet de serre est devenu une mission importante pour les entreprises qui offrent des services de calcul et de stockage de données. Cependant, malgré les efforts déployés pour réduire la consommation d'énergie, celle-ci reste extrêmement élevée. Voyons quelques chiffres.
Empreinte des supercalculateurs classiques
La consommation des centres de données représentait environ 1,7 % de la demande mondiale d'électricité en 2022.. Un centre de données peut consommer la même quantité d'électricité qu'une ville. Si vous pensez qu'il s'agit d'une exagération, prenons, par exemple, le superordinateur Frontier, fabriqué par Hewlett Packard et hébergé au laboratoire Oak Ridge du ministère de l'environnement dans le Tennessee, aux États-Unis. Il consomme 504 MWh en moyenne par jour, ce qui correspond à l'énergie consommée quotidiennement par environ 17 000 foyers américains. Et il ne s'agit que d'un seul centre de données.
Même si ces chiffres sont trop élevés, ils sont considérés comme un succès en matière d'efficacité. un succès en termes d'efficacité. Les ingénieurs numériques ont créé des transistors plus petits et plus efficaces, amélioré les circuits, les logiciels et les systèmes de gestion de l'énergie. Mais malgré ces améliorations considérables, la charge de travail a également augmenté, de sorte que de plus en plus d'entreprises ont besoin de centres de données plus nombreux et plus grands, avec une croissance annuelle de la consommation d'énergie de 20 à 40 %. une croissance annuelle de la consommation d'énergie de 20 à 40 %. Par exemple, la demande combinée d'électricité d'Amazon, Microsoft, Google et Meta a doublé entre 2017 et 2021. En outre, les transistors de plus petite taille ont présenté des problèmes de fuite de courant, ce qui pose des défis importants, provoquant la surchauffe des puces et augmentant inévitablement la consommation d'énergie.
Réduire l'empreinte énergétique grâce aux ordinateurs quantiques
Et maintenant, pourquoi ne pas regarder au-delà de l'informatique traditionnelle ? L'informatique quantique s'impose rapidement comme une nouvelle génération de calcul à haute performance pour résoudre des problèmes complexes inaccessibles aux appareils classiques. De nombreux calculs scientifiques et industriels ont une échelle de temps exponentielle sur les machines classiques.
Ces types de problèmes sont dits "insolubles" parce que leur temps de calcul augmente dans des proportions déraisonnables en fonction de leur taille. Les problèmes d'optimisation en sont un exemple courant : il s'agit de trouver la meilleure option, selon des critères déterminés, parmi un nombre généralement considérable de combinaisons. Par exemple, un problème d'optimisation pourrait être la meilleure façon de déployer un réseau de communicationpour obtenir une bonne couverture tout en réduisant les coûts. D'autres exemples typiques de problèmes insolubles sont les simulations chimiques au niveau moléculaire, qui sont particulièrement cruciales dans le domaine des soins de santé, telles que conception de médicaments ou la prédiction de la toxicité.
La promesse des technologies quantiques de s'attaquer à ces problèmes insolubles en un temps "à l'échelle humaine" est appelée avantage quantique.
La question est de savoir si l'avantage quantique s'accompagnera d'un avantage en termes de consommation d'énergie.
Aujourd'hui, la consommation d'électricité des ordinateurs quantiques est bien inférieure à celle de n'importe quel superordinateur, et ce en tenant compte de toutes les architectures quantiques disponibles. Prenons par exemple les qubits supraconducteurs, l'architecture la plus coûteuse, et ces ordinateurs ne consomment qu'environ 25 kW. Cela représente 600 kWh par jour, soit mille fois moins que le supercalculateur Frontier. La consommation des dispositifs quantiques à atomes neutres, comme ceux de PASQAL, est bien moindre, puisqu'elle s'élève à 7 kW.
Bien que les ordinateurs quantiques aient prouvé leur de la supériorité des ordinateurs classiques pour résoudre des problèmes scientifiques particuliers, ils ne sont pas encore prêts à résoudre des problèmes pertinents pour l'industrie.ils ne sont pas encore prêts à résoudre des problèmes pertinents pour l'industrie. Cela s'explique par le fait que les ordinateurs quantiques actuels sont bruyants et que les ordinateurs quantiques tolérants aux pannes ne seront pas disponibles avant un certain temps. Cependant, comme certains algorithmes quantiques sont conçus pour fonctionner avec succès dans l'ère quantique intermédiaire bruyante (NISQ), certaines architectures, telles que les dispositifs à atomes neutres PASQAL , ont le potentiel de résoudre de nombreux cas d'utilisation au niveau industriel avant l'arrivée de l'ère de la tolérance aux pannes. Dans ce scénario, nous pouvons prévoir qu'à court terme, il y aura effectivement un avantage quantique en termes d'énergie. Un autre point à prendre en considération est que les technologies quantiques ne sont pas destinées à remplacer les unités centrales classiques, mais à collaborer avec elles. Par conséquent, on espère que les ordinateurs quantiques réduiront l'empreinte dans ce scénario hybride.
Les atomes neutres, une architecture quantique plus verte
Comme il n'existe pas encore de norme en matière de technologie quantique, différents types d'architectures sont en concurrence sur le marché. Le tableau ci-dessous compare la consommation d'énergie, y compris les types d'ordinateurs quantiques les plus populaires. Il en ressort que la machine à atomes neutres (ou froids) de PASQALest l'une des plus pratiques en termes de consommation d'énergie totale et par qubit.
Le coût énergétique dépend des composants avec lesquels chaque machine doit travailler et, pour la plupart d'entre elles, du nombre de qubits. En général, les coûts les plus importants sont associés au système cryogénique, qui est largement nécessaire pour les qubits supraconducteurs, mais beaucoup moins pour les atomes neutres froids.
La consommation électrique du processeur quantique actuel de PASQAL, qui a démontré sa capacité à travailler avec des centaines de qubits, est d'environ 2,6 kW. La moitié provient des lasers ; le reste est réparti entre l'électronique et le contrôle de l'environnement. Une évaluation indépendante réalisée sur la technologie PASQAL par Yann Portella et Jolan Tissier de l'université Centrale-Supelec1 montre que la consommation d'énergie de l'actuelle machine à atomes neutres PASQAL est indépendante du nombre de qubits, contrairement à d'autres architectures concurrentes telles que les architectures supraconductrices ou en silicium. Ces évaluations considèrent que les dispositifs à atomes froids ont besoin d'un ordinateur classique pour optimiser les opérations laser.
Cependant, l'ajout d'un système cryogénique de 4 kelvins augmentera la consommation d'électricité dans les machines de la prochaine génération, avec une diminution estimée à environ 7 kW sur une consommation totale de 9,7 kW pour la machine de 1000 qubits et de 9,8 kW pour la machine de 10 000 qubits, ce qui reste beaucoup moins énergivore que les supraconducteurs. Il est important de considérer que ces projections sont des estimations approximatives, il y a encore des incertitudes qui se dissiperont lorsque ces appareils fonctionneront réellement. En outre, nous devons encore prendre en compte le flux de travail hybride (classique et quantique) nécessaire à la plupart des algorithmes.
Que se passera-t-il à long terme ?
La consommation d'énergie à long terme des technologies quantiques n'est pas connue, mais certaines estimations ont été modélisées en tenant compte de l'évolutivité et des techniques de correction des erreurs, qui nécessiteront de grandes quantités de qubits, ce qui permettra d'effectuer les calculs en un temps raisonnable avec un faible taux d'erreur.
La figure ci-dessous, fournie par Alexia Auffèves et Olivier Ezratty, 2022, montre une comparaison de la consommation d'énergie en fonction de la taille d'un problème classique insoluble. On peut y voir que même avec l'introduction de corrections d'erreurs, nous aurons toujours un avantage énergétique intéressant pour les ordinateurs quantiques.
D'autres questions doivent encore être abordées, par exemple celle de savoir si cet avantage énergétique potentiel de l'informatique quantique s'appliquera à tous les types d'algorithmes et d'applications. Il est également important de tenir compte de l'empreinte des gaz à effet de serre correspondant à la fabrication des ordinateurs dans les deux cas, les superordinateurs classiques et les ordinateurs quantiques. D'autres questions se posent sur le plan économique et sociétal : que se passera-t-il lorsque l'informatique quantique se répandra et comment peut-on la limiter ?
Les scientifiques et les ingénieurs ont besoin de superordinateurs pour effectuer des calculs et des simulations afin d'accroître les connaissances, de fabriquer de meilleurs produits et de résoudre les problèmes les plus urgents de notre époque, tels que le changement climatique. Mais pour lutter contre le changement climatique, les entreprises qui proposent des services informatiques, qu'ils soient classiques ou quantiques, doivent continuer à chercher à réduire leur empreinte énergétique, tandis que l'humanité doit continuer à chercher des moyens d'atteindre ses objectifs mondiaux en matière de développement durable.
Références
- Auffèves, A. (2022). Les technologies quantiques ont besoin d'une initiative sur l'énergie quantique. PRX Quantum, 3(2).https://doi.org/10.1103/prxquantum.3.020101
- Ezratty, O. (2022). Comprendre les technologies quantiques. Cinquième édition. Comprendre les technologies quantiques 2022 (oezratty.net)
- Koomey, J. (2023, 29 mars). La loi de Moore pourrait ralentir, mais pas l'efficacité énergétique. IEEE Spectrum. https://spectrum.ieee.org/moores-law-might-be-slowing-down-but-not-energy-efficiency.
1Nousremercions Yann Portella et Jolan Tissier de l'Université Centrale-Supelec pour leur analyse indépendante de la consommation d'énergie de la technologie PASQAL en 2023.
L'auteur remercie Etienne de Rocquigny, conseiller de PASQAL, ancien vice-doyen de la recherche à Centrale Paris et cofondateur des conseillers Blaise Pascal, pour ses discussions et ses commentaires.
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