Les Systolic Arrays sont des architectures parallèles de traitement de l’information, conçues pour exécuter des opérations sur des données en flux continu. Dans le contexte des systèmes VLSI (Very Large Scale Integration), un Systolic Array se compose d’un réseau de processeurs ou de cellules de traitement interconnectés, qui effectuent des calculs spécifiques, généralement sous la forme de multiplications matricielles. Chaque cellule dans le réseau est responsable de la réception, du traitement et de la transmission des données d’une manière synchronisée, ce qui permet une exécution efficace et rapide des algorithmes.
L’idée des Systolic Arrays a été introduite dans les années 1980 par Charles E. Leiserson et des chercheurs du MIT. Ces architectures ont été développées pour tirer parti des avantages du parallélisme dans le traitement des données, répondant ainsi aux besoins croissants en matière de performance en calcul, notamment dans les domaines du traitement numérique du signal (DSP) et de l’intelligence artificielle (AI).
Avec l’avènement de technologies de fabrication avancées, comme EUV (Extreme Ultraviolet Lithography) et les nœuds de processus à 5nm, les Systolic Arrays ont vu leur efficacité et leur densité d’intégration considérablement améliorées. Des techniques telles que les Gate-All-Around Field Effect Transistors (GAA FET) ont permis d’optimiser la consommation d’énergie tout en augmentant les performances.
Les Systolic Arrays sont souvent intégrés dans des architectures de circuits intégrés spécifiques, appelés Application Specific Integrated Circuits (ASICs), qui sont optimisés pour des applications particulières. Ces dernières années, plusieurs avancées technologiques ont influencé le développement et l’implémentation des Systolic Arrays :
Le passage à des nœuds de processus plus petits comme le 5nm a permis d’augmenter la densité des transistors, entraînant des performances accrues pour les Systolic Arrays. Cela facilite une plus grande parallélisation des opérations et une réduction de la latence.
Les GAA FET représentent une avancée majeure dans la conception des transistors, permettant un meilleur contrôle des courants et une réduction des fuites, ce qui est crucial pour les Systolic Arrays, qui doivent maintenir une efficacité énergétique tout en exécutant des tâches intensives.
L’EUV a révolutionné la fabrication de circuits intégrés en permettant des motifs plus fins et une meilleure gestion des interconnexions. Cela a permis de réaliser des Systolic Arrays plus compacts et plus puissants, adaptés aux applications modernes.
Les Systolic Arrays sont utilisés dans plusieurs domaines d’application :
Les Systolic Arrays sont particulièrement adaptés pour les tâches d’apprentissage profond, où des opérations matricielles intensives sont courantes. Leur architecture permet un traitement parallèle des données, accélérant ainsi l’entraînement et l’inférence des modèles.
Dans le domaine des réseaux, les Systolic Arrays peuvent être utilisés pour le traitement des paquets et la gestion des données en temps réel, offrant une latence réduite et une meilleure bande passante.
Les Systolic Arrays trouvent également des applications dans le calcul scientifique et les simulations, où des calculs matriciels rapides et efficaces sont nécessaires.
Les Systolic Arrays sont de plus en plus utilisés dans les systèmes automobiles avancés, notamment pour les applications de conduite autonome et de traitement d’images, où des performances élevées et des délais de traitement rapides sont essentiels.
La recherche sur les Systolic Arrays continue d’évoluer, avec plusieurs axes de développement :
Cet article vise à servir de ressource exhaustive sur les Systolic Arrays dans le contexte des systèmes VLSI, en mettant en lumière leur définition, leur histoire, leurs applications et les tendances futures.