Des spécialistes du plasma mettent au point des programmes informatiques qui réduiraient le coût des micropuces

À l’ère numérique, la course à l’innovation technologique est continue plaçant la production de microprocesseurs au cœur des stratégies industrielles mondiales. Les chercheurs du Laboratoire de Physique des Plasmas de Princeton s’attellent à concevoir des simulations informatiques capables d’optimiser la production de ces composants essentiels.

Les microprocesseurs, ces composants minuscules façonnés à partir de silicium et essentiels à nos appareils électroniques, pourraient bientôt être produits plus efficacement grâce aux travaux du Laboratoire de Physique des Plasmas de Princeton (PPPL), rattaché au Département de l’Énergie des États-Unis. Les chercheurs développent des codes de simulation informatique destinés à surpasser les techniques actuelles, en se concentrant sur l’utilisation du plasma dans la production de microprocesseurs. Ces avancées pourraient non seulement améliorer l’efficacité du processus de fabrication, mais également stimuler un renouveau de l’industrie des puces électroniques aux États-Unis.

Igor Kaganovich, physicien principal de recherche et responsable du groupe de modélisation à basse température au PPPL, souligne l’importance de ces dispositifs : « Les appareils dotés de microprocesseurs sont essentiels à notre quotidien, leur mode et lieu de production sont donc une question de sécurité nationale. Des outils de simulation robustes et fiables, capables de prédire avec précision le comportement du plasma et de raccourcir le cycle de fabrication et de conception des puces en silicium, pourraient aider les États-Unis à reprendre un rôle de leader dans ce domaine et à le maintenir pendant des décennies. »

Accélération du processus de simulation

Une des initiatives de recherche du PPPL vise à réduire le temps nécessaire aux ordinateurs pour simuler les réacteurs à plasma utilisés dans la fabrication des microprocesseurs. Cette innovation permettrait à l’industrie privée d’utiliser des simulations plus complexes et précises, contribuant ainsi à réduire les coûts de production des microprocesseurs.

Andrew Tasman Powis, co-auteur de l’étude publiée dans la revue Physics of Plasmas et associé de recherche en calcul au PPPL, explique : « Les entreprises aimeraient utiliser les simulations pour améliorer leurs processus, mais celles-ci sont généralement coûteuses en calcul. Nous faisons de notre mieux pour contrer cette tendance. »

Les physiciens cherchent habituellement à reproduire le plasma aussi fidèlement que possible, générant des images virtuelles qui révèlent les subtilités du comportement du plasma avec des détails très fins. Le processus nécessite des algorithmes, des programmes suivant un ensemble de règles, qui simulent le plasma en très courts intervalles de temps et dans de petits volumes d’espace. De telles simulations détaillées exigent en revanche des ordinateurs puissants fonctionnant pendant des jours, voire des semaines, ce qui est trop long et trop coûteux pour les entreprises souhaitant améliorer leurs processus de fabrication de microprocesseurs.

Les chercheurs se sont plongés dans l’histoire de la physique des plasmas pour identifier des algorithmes déjà développés dans les années 1980, susceptibles de réduire le temps nécessaire à la simulation du plasma des microprocesseurs. Les algorithmes, une fois testés, ont démontré leur capacité à modéliser les systèmes de plasma des microprocesseurs en beaucoup moins de temps et avec une faible réduction de la précision.

Haomin Sun, chercheur principal de l’étude et ancien étudiant diplômé du Programme de Physique des Plasmas de l’Université de Princeton basé au PPPL, précise : « Cette avancée est importante car elle pourrait permettre aux entreprises d’économiser du temps et de l’argent. Cela signifie qu’avec la même quantité de ressources informatiques, vous pouvez créer plus de simulations. Plus de simulations permettent non seulement de trouver des moyens d’améliorer la fabrication, mais aussi d’apprendre plus de physique en général. Nous pouvons faire plus de découvertes avec nos ressources limitées. »

Dépasser les limites inhérentes

Un autre axe de recherche se concentre sur les erreurs pouvant s’introduire dans les simulations de plasma en raison des limitations intrinsèques des méthodes de simulation elles-mêmes, qui modélisent un nombre plus restreint de particules de plasma que dans le plasma réel.

Sierra Jubin, étudiante diplômée du Programme de Physique des Plasmas de Princeton et auteure principale de l’étude publiée dans Physics of Plasmas, explique : « Lorsque vous simulez le plasma, vous aimeriez idéalement suivre chaque particule et savoir où elle se trouve à tout moment. Mais nous n’avons pas une puissance de calcul infinie, donc nous ne pouvons pas faire cela. »

Pour contourner cette difficulté, les chercheurs conçoivent des codes pour représenter des millions de particules comme une seule particule géante. Cette simplification facilite la tâche de l’ordinateur, mais amplifie également les interactions des méga-particules virtuelles. En conséquence, un changement dans la proportion de particules se déplaçant à une vitesse par rapport à celles se déplaçant à une autre vitesse — un processus connu sous le nom de thermalisation — se produit plus rapidement que dans la nature. En essence, la simulation ne correspond pas à la réalité.

Pour compenser ces erreurs de calcul, les chercheurs ont découvert qu’ils pouvaient rendre les volumes de méga-particules plus grands et moins denses, atténuant leurs interactions et ralentissant les changements de vitesse des particules. « En effet, ces résultats définissent les limites de ce qui est possible dans les simulations de plasma pour microprocesseurs, soulignent les contraintes que nous devons considérer et proposent certaines solutions », ajoute Sierra Jubin.

Les découvertes de Sierra Jubin renforcent l’idée que les techniques de simulation actuelles doivent être améliorées. Que ce soit parce que les codes utilisés aujourd’hui nécessitent des tailles de volume et des incréments de temps qui ralentissent les simulations, ou parce qu’ils produisent des erreurs basées sur des exigences de calcul, les scientifiques ont besoin de nouvelles solutions. « C’est en fait un changement de paradigme dans le domaine », conclut Kaganovich, « et le PPPL est à l’avant-garde de cette évolution. »

Article : « Numerical thermalization in 2D PIC simulations: Practical estimates for low-temperature plasma simulations » – DOI: 10.1063/5.0180421