Des cristaux pourraient permettre aux ordinateurs de fonctionner avec moins d’énergie

Les ordinateurs sont de plus en plus petits et puissants, mais leur fonctionnement nécessite beaucoup d’énergie. La quantité totale d’énergie que les États-Unis consacrent à l’informatique a augmenté de façon spectaculaire au cours de la dernière décennie et se rapproche rapidement de celle d’autres secteurs importants, comme les transports.

Dans une étude publiée en ligne cette semaine dans la revue Nature, des ingénieurs de l’université de Californie à Berkeley décrivent une avancée majeure dans la conception d’un composant des transistors – les minuscules commutateurs électriques qui constituent les éléments de base des ordinateurs – qui pourrait réduire considérablement leur consommation d’énergie sans sacrifier la vitesse, la taille ou les performances. Ce composant, appelé oxyde de grille, joue un rôle essentiel dans la mise en marche et l’arrêt du transistor.

« Nous avons pu montrer que notre technologie d’oxyde de grille est meilleure que les transistors disponibles dans le commerce : Ce que l’industrie des semi-conducteurs, qui vaut des milliards de dollars, peut faire aujourd’hui, nous pouvons essentiellement le battre« , a déclaré l’auteur principal de l’étude, Sayeef Salahuddin, professeur distingué de TSMC en génie électrique et informatique à l’université de Berkeley.

Cette augmentation de l’efficacité est rendue possible par un effet appelé capacité négative, qui permet de réduire la quantité de tension nécessaire pour stocker une charge dans un matériau. Salahuddin a prédit théoriquement l’existence de la capacité négative en 2008 et a démontré pour la première fois cet effet dans un cristal ferroélectrique en 2011.

La nouvelle étude montre comment une capacité négative peut être obtenue dans un cristal artificiel composé d’un empilement de couches d’oxyde de hafnium et d’oxyde de zirconium, qui est facilement compatible avec les transistors en silicium avancés. En incorporant le matériau dans des transistors modèles, l’étude démontre comment l’effet de capacité négative peut réduire de manière significative la quantité de tension nécessaire pour contrôler les transistors et, par conséquent, la quantité d’énergie consommée par un ordinateur.

« Au cours des dix dernières années, l’énergie utilisée pour l’informatique a augmenté de façon exponentielle, représentant déjà des pourcentages à un chiffre de la production mondiale d’énergie, qui ne croît que linéairement, sans qu’une fin soit en vue« , a déclaré Salahuddin. « Habituellement, lorsque nous utilisons nos ordinateurs et nos téléphones portables, nous ne pensons pas à la quantité d’énergie que nous utilisons. Mais c’est une quantité énorme, et elle ne va faire qu’augmenter. Notre objectif est de réduire les besoins énergétiques de cet élément de base de l’informatique, car cela permet de réduire les besoins énergétiques de l’ensemble du système.« 

La capacité négative au service de la technologie réelle

Les ordinateurs portables et les téléphones intelligents de pointe contiennent des dizaines de milliards de minuscules transistors en silicium, dont chacun doit être contrôlé par l’application d’une tension. L’oxyde de grille est une fine couche de matériau qui convertit la tension appliquée en une charge électrique, laquelle commute ensuite le transistor.

Une capacité négative peut améliorer les performances de l’oxyde de grille en réduisant la quantité de tension nécessaire pour obtenir une charge électrique donnée. Mais cet effet ne peut pas être obtenu avec n’importe quel matériau. La création d’une capacité négative nécessite une manipulation minutieuse d’une propriété matérielle appelée ferroélectricité, qui se produit lorsqu’un matériau présente un champ électrique spontané. Auparavant, cet effet n’avait été obtenu que dans des matériaux ferroélectriques appelés pérovskites, dont la structure cristalline n’est pas compatible avec le silicium.

Dans l’étude, l’équipe a montré qu’il est également possible d’obtenir une capacité négative en combinant l’oxyde de hafnium et l’oxyde de zirconium dans une structure cristalline artificielle appelée super-réseau, ce qui entraîne une ferroélectricité et une antiferroélectricité simultanées.

« Nous avons constaté que cette combinaison nous donne en fait un effet de capacité négative encore meilleur, ce qui montre que ce phénomène de capacité négative est beaucoup plus large que ce que l’on pensait à l’origine« , a déclaré le coauteur de l’étude, Suraj Cheema, chercheur postdoctoral à l’UC Berkeley. « La capacité négative ne se produit pas seulement dans l’image conventionnelle d’un ferroélectrique avec un diélectrique, qui est ce qui a été étudié au cours de la dernière décennie. Vous pouvez en fait rendre l’effet encore plus fort en concevant ces structures cristallines pour exploiter l’antiferroélectricité en tandem avec la ferroélectricité.« 

Les chercheurs ont découvert qu’une structure en super-réseau composée de trois couches atomiques d’oxyde de zirconium prises en sandwich entre deux couches atomiques uniques d’oxyde de hafnium, totalisant moins de deux nanomètres d’épaisseur, fournissait le meilleur effet de capacité négative. Étant donné que la plupart des transistors au silicium les plus modernes utilisent déjà un oxyde de grille de 2 nanomètres composé d’oxyde de hafnium sur du dioxyde de silicium, et que l’oxyde de zirconium est également utilisé dans les technologies au silicium, ces structures en super-réseau peuvent facilement être intégrées dans des transistors avancés.

Pour tester les performances de la structure en super-réseau en tant qu’oxyde de grille, l’équipe a fabriqué des transistors à canal court et testé leurs capacités. Ces transistors nécessiteraient une tension inférieure d’environ 30 % tout en respectant les critères de référence de l’industrie des semi-conducteurs et sans perte de fiabilité, par rapport aux transistors à canal court.

« L’un des problèmes que nous rencontrons souvent dans ce type de recherche est que nous pouvons démontrer divers phénomènes dans les matériaux, mais ces matériaux ne sont pas compatibles avec les matériaux informatiques avancés, et nous ne pouvons donc pas en faire bénéficier la technologie réelle« , a déclaré Salahuddin. « Ce travail transforme la capacité négative d’un sujet académique à quelque chose qui pourrait réellement être utilisé dans un transistor avancé.«