Alors que la puissance des puces de nos ordinateurs et smartphones a connu des progrès phénoménaux cette dernière décennie, il est un monde qui regarde avec envie ce déluge de puissance : l’industrie spatiale. Dans un contexte d’une conquête spatiale riche en projets – constellations de satellites, projets lunaires et martiens, CubeSats, etc. – la réalité électronique des engins que l’on envoie dans l’espace est bien différente de ce que l’on met dans nos téléphones. L’espace est un territoire hostile pour les semi-conducteurs et les performances des puces renforcées pour encaisser les rayonnements du grand vide sont loin de celles qui opèrent sur la terre ferme.
Mais les choses bougent et une puce pourrait accélérer notre conquête et exploitation de l’espace : le VPU. Ce processeur d’image (Visual Processing Unit), on l’a vu se développer notamment dans les drones, les automobiles autonomes et autres systèmes de vidéosurveillance. Leur rôle ? Interpréter les informations des caméras plus rapidement et plus efficacement que les CPU et GPU. Dans ce monde très nouveau des VPU, une petite puce d’un centimètre carré est en train de se faire une place dans les étoiles : le processeur Myriad d’Intel.
Le casse-tête des données et du calcul
Dans l’espace, personne ne vous entend crier. Mais il n’y a surtout pas grand monde pour prendre en charge vos calculs. S’ils sont à même de gérer correctement leurs engins, sondes et autres caméras, les processeurs qualifiés pour l’espace ne sont pas des modèles de puissance. « Jusqu’ici, toutes les missions spatiales (impliquant de l’imagerie, ndr) se passent de la même façon : le satellite envoie les données sur terre et ce sont les équipements au sol qui font les calculs » nous explique Gianluca Furano, ingénieur spécialisé dans les systèmes informatiques embarqués pour l’ESA, l’agence spatiale européenne.
Le problème ? La bande passante pour envoyer des données de l’espace vers le sol est limitée. Booster le traitement d’image ou le débit entraîne une augmentation de la consommation énergétique et de dissipation thermique, deux facteurs ultras limitants dans l’espace. Dans un scénario classique, le satellite envoie lentement toutes ses images, dont certaines sans aucun intérêt pour l’application (nuages, zones océaniques, etc.).
C’est là que rentre en scène Myriad 2. Loin d’être le dernier cri en termes de silicium, cette puce initialement destinée aux drones fait merveille dans l’espace. « C’est une vraie révolution qui va s’opérer dans l’exploitation spatiale », s’enthousiasme Gianluca Furano, dont le premier CubeSat, PhiSat-1 (ou Φ-Sat-1 pour les nerds), a été lancé avec succès le 2 septembre dernier. Un satellite dont la mission est purement technique : dédié à l’imagerie avec sa caméra hyperspectrale, il doit démontrer la pertinence de l’usage des puces IA dans l’espace.
S’il était équipé de manière classique, ce nanosatellite n’aurait d’autre choix que de transférer les images au compte-goutte à un relai terrestre. Ralentissant le traitement des informations parfois de plusieurs heures. « Avec la puce Myriad 2, plutôt que d’envoyer les données brutes, le satellite les prend en charge lui-même et ne nous envoie que les données analysées. Il peut par exemple détecter un feu de forêt et nous envoyer directement l’information et les coordonnées GPS. Alors qu’il fallait parfois jusqu’à une journée pour transmettre, traiter et compiler l’information, avec un VPU le process ne prend désormais que quelques minutes ! », se réjouit-il.
Beaucoup de puissance dans seulement 1 watt
Le point fort des VPU, c’est leur spécialisation qui les rend très sobres énergétiquement. Un argument massue dans l’espace. « Nous n’avons pas intégré le Myriad 2 à l’aveugle, nous avons réalisé de nombreux benchmarks, de nombreuses mesures en interne. Des fPGA en passant par des CPU, spatiaux ou non jusqu’aux GPU de PC ou encore au Jetson de Nvidia, etc. Ce que nous avons découvert, c’est que dans l’analyse d’image, Myriad 2 est aussi performant que Jetson, mais avec seulement 1 watt de TDP ! Jetson dissipe à lui seul 10W, c’est-à-dire l’enveloppe totale de l’électronique de PhSat-1 ! ». Or si sur terre on peut toujours rajouter des ventilateurs, caloducs, watercooling, pour obtenir les meilleures performances, l’espace ne permet pas ce genre de folies.
« Jusqu’à 5W, on n’a pas besoin de solutions de refroidissement actives. Mais passé ce seuil, il faut commencer à y réfléchir, ce qui ajoute du poids, de l’encombrement, etc. » détaille Mr Furano. « Pour vous donner un ordre d’idée, ajouter un instrument qui consomme 1 watt sur un rover martien, c’est ajouter un petit bout de panneau solaire de plus par-ci, un peu plus de puissance par-là, ce qui faire gonfler la masse à emporter. En bout de chaîne, 1 watt à alimenter et dissiper en plus c’est 1 tonne de carburant à bruler en plus ! »
L’efficacité énergétique d’un VPU comme le Myriad, qui est un roi de l’inférence, permet donc de réaliser des économies en termes d’énergie, de bande passante et de masse à envoyer puisqu’il n’a pas besoin d’être refroidi. Mais il fait aussi baisser la facture matérielle et logicielle. « Comme la puce d’Intel a été produite à des millions d’exemplaires, elle ne coûte pas cher par rapport aux composants spatiaux et elle profite de bons outils logiciels ». De quoi faire baisser la facture et le temps de travail. Ce qui ne veut pas dire que tout fut facile.
L’espace, un environnement hostile pour les puces
« Il nous a fallu deux ans pour qualifier notre base matérielle pour l’espace », explique G. Furano. « Nous avons renforcé l’électronique entourant le processeur, notamment l’alimentation ». Mais comme Myriad 2 n’est pas un composant développé pour l’espace, il a fallu développer une partie logicielle qui tienne compte des contraintes. Ainsi, le fonctionnement même de la gestion et de l’accès mémoire a été changé. Impossible de laisser des éléments dans la RAM, les rayonnements spatiaux pouvant fausser les données qui y sont stockées voire mettre le système hors service.
La solution ? Toujours partir d’une feuille blanche : « Pour éviter les erreurs causées par l’accumulation des tâches, la mémoire est entièrement vidée entre chaque calcul d’image. Nous avons conçu des algorithmes et logiciels de contrôle des données stockées en mémoire afin de garantir leur fiabilité. Et des routines de redondance au cas où des éléments de la puce ne fonctionnent pas correctement ».
Au total, il aura fallu quatre années de travail à l’équipe européenne pour développer le CubeSat PhiSat-1. Ce qui explique qu’il n’intègre pas le Myriad X lancé en 2018, mais le « vieux » Myriad 2 de 2016. « Le développement spatial prend du temps et nous ne pourrons jamais suivre la vitesse de développement des produits grand public », justifie Mr. Furano. Mais même avec bientôt deux générations de retard – Keem Bay, le remplaçant de Myriad X devrait bientôt être commercialisé – ce VPU est une révolution.
Les VPU ouvrent (un peu) la porte à la science-fiction
« Les VPU ouvrent de nouveaux horizons en matière de science de l’observation, pour les incendies comme pour l’agriculture. Mais il vont aussi rendre possible ce qui est aujourd’hui infaisable », clame Mr. Furano. Au rang de ces tâches impossibles ? L’accostage d’un engin. « Un rendez-vous avec un objet non coopératif (comme un satellite à la dérive, ndr) est absolument impossible sans un système de calcul visuel autonome.
Des tâches où le Myriad semble être un champion. « Entrainer les machines, c’est important, mais cela représente 1% des tâches. Le plus important pour les systèmes embarqués, c’est l’inférence, qui représente 99% des besoins ». En clair : la puissance nécessaire à entraîner les machines n’est importante que dans la phase de créations des algorithmes. Une fois ceux-ci développés, les besoins sont majoritairement tournés vers des puces rapides et efficaces énergétiquement – ce qui explique, là encore, le choix d’une puce Myriad face à un Nvidia Jetson, plus performant dans l’apprentissage, mais moins en termes d’application.
Des systèmes de pilotages automatisés au traitement local des données, les VPU font frétiller les scientifiques, chercheurs et ingénieurs spatiaux. Qui utilisent avec grand plaisir des composants… qui ne leur sont pas destinés. « L’espace ne pourra jamais entraîner de grands volumes de production », avoue bien volontiers Mr Furano. Mais la communauté s’appuie sur une autre industrie : l’automobile. Avec l’avènement de la voiture autonome, les capteurs et processeurs impliqués dans les systèmes de navigation autonome montent en puissance. « Il est clair que (dans le futur) nous allons utiliser beaucoup des composants qui sont (intégrés) dans les voitures autonomes », continue-t-il.
Un succès qui en entraîne d’autres
Φ-Sat-1 n’est pas une mission scientifique classique, mais un test technique qui visait à valider la pertinence des VPU dans les usages spatiaux… ce qui est chose faite. Les équipes de Gianluca Furano ont au passage validé deux plates-formes matérielles intégrant Myriad-2, chacune avec son propre framework logiciel adapté aux petits ou aux gros satellites.
Et ces efforts de conception tant matériels que logiciels vont ainsi servir à non pas une, mais cinq missions qui seront toutes issues d’un partenariat public-privé. Un succès qui permet à Intel de signer un beau succès dans les puces IA basse consommation, un succès bien différent de celui des « centrales thermiques » que sont les puces serveurs – EPYC/Instinc chez AMD, A100 chez Nvidia, Xeon et Xe HPC chez Intel.
Un changement de paradigme pour Intel, dont le modèle est initialement modelé par la course à la puissance de son architecture x86. Et qui permettra peut-être au géant, chahuté dans ses différents secteurs, de reprendre le leadership technologique auquel il était habitué.
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