Laurie Fickman
Une équipe invente de nouveaux matériaux à couche mince basés sur des méthodes récompensées par le prix Nobel
Pour répondre aux demandes énergétiques et en puissance vertigineuses de l’intelligence artificielle, des ingénieurs de l’Université de Houston ont développé un nouveau matériau en couche mince révolutionnaire qui promet de rendre les dispositifs d’IA nettement plus rapides tout en réduisant considérablement la consommation d’énergie.
Cette percée, détaillée dans la revue ACS Nano, introduit un diélectrique spécialisé en couche mince bidimensionnelle (2D) – ou isolant électrique – conçu pour remplacer les composants traditionnels générateurs de chaleur dans les puces de circuits intégrés. Ce nouveau matériau en couche mince, qui ne stocke pas l’électricité, contribuera à réduire le coût énergétique important et la chaleur produits par l’informatique haute performance nécessaire à l’IA.
« L’IA a fait exploser nos besoins énergétiques », explique Alamgir Karim, titulaire de la chaire Dow et professeur de la Welch Foundation au département de génie chimique et biomoléculaire William A. Brookshire de l’UH. « De nombreux centres de données d’IA utilisent d’immenses systèmes de refroidissement qui consomment de grandes quantités d’électricité pour maintenir les milliers de serveurs équipés de puces à circuits intégrés fonctionnant de manière optimale à basse température, afin de conserver une vitesse de traitement des données élevée, un temps de réponse plus court et une durée de vie prolongée des puces. »
La solution : un matériau électronique « faible k »
Pour limiter la consommation d’énergie tout en améliorant les performances, Karim et son ancien doctorant, Maninderjeet Singh, ont utilisé des matériaux à cadre organique lauréats du prix Nobel pour développer ces films diélectriques.
« Ces matériaux de nouvelle génération devraient considérablement améliorer les performances des dispositifs d’IA et de l’électronique conventionnelle », affirme Singh, chercheur postdoctoral à l’Université de Columbia qui a développé ces matériaux lors de sa formation doctorale à l’UH, en collaboration avec Devin Shaffer, professeur de génie civil à l’UH, et la doctorante Erin Schroeder.
Tous les diélectriques ne sont pas égaux. Ceux à haute permittivité, ou « haut k », stockent plus d’énergie électrique et en dissipent davantage sous forme de chaleur que les matériaux à « faible k ». Ainsi, Alamgir Karim s’est concentré sur les matériaux à faible k fabriqués à partir d’éléments légers comme le carbone, connus sous le nom de réseaux organiques covalents légers, qui accélèrent les signaux et réduisent les délais.
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« Les matériaux à faible k sont des isolants de base qui supportent les conducteurs de circuits intégrés transportant des signaux électriques à haute vitesse et haute fréquence avec une faible consommation d’énergie (c’est-à-dire une haute efficacité car les puces peuvent fonctionner plus froides et plus vite !) et également une faible interférence (diaphonie des signaux) », précise Alamgir Karim.
L’équipe a créé le nouveau matériau avec du carbone et d’autres éléments légers formant des films en feuillets liés de manière covalente avec des structures cristallines hautement poreuses. Puis, avec un autre étudiant, Saurabh Tiwary, ils ont étudié leurs propriétés électroniques pour des applications de faible k de nouvelle génération dans les dispositifs.
« L’intégration de matériaux à faible k dans les dispositifs à circuits intégrés a un potentiel énorme pour réduire grandement la consommation d’énergie liée à l’expansion fulgurante des centres de données d’IA. Nous avons découvert que les feuillets 2D présentaient une constante diélectrique ultrabasse et une résistance diélectrique ultra-élevée nécessaires pour un fonctionnement sous haute tension des dispositifs de forte puissance, avec une bonne stabilité thermique même à des températures de fonctionnement élevées des dispositifs », rapportent Karim et Singh.
Pour créer les films, Shaffer et Schroeder ont utilisé une méthode appelée polymérisation interfaciale synthétique, où les molécules sont dissoutes dans deux liquides qui ne se mélangent pas et finissent par assembler des blocs de construction moléculaires pour former les solides feuillets cristallins stratifiés. Il s’agit d’une méthode découverte par les lauréats du prix Nobel de chimie 2025, Omar M. Yaghi, professeur de chimie à l’UC Berkeley, et d’autres collègues Nobel.
Article : « Two-Dimensional Covalent Organic Framework Films for High Dielectric Strength Electrically and Thermo-Mechanically Stable Low Permittivity Dielectrics » – Journal : ACS Nano
Source : UH
