Intel réinvente les transistors grâce à la structure 3D

Intel a annoncé mercredi une importante percée dans l’évolution du transistor, le composant microscopique qui est à la base de l’électronique moderne.

En effet, pour la première fois depuis l’invention des transistors en silicium voici plus de cinquante ans, des transistors dotés d’une structure tridimensionnelle seront ainsi mis en production de grande série.

Intel va lancer un design de transistors en 3D révolutionnaire, baptisé Tri-Gate et présenté pour la première fois en 2002, dans un microprocesseur (nom de code Ivy Bridge) en production et gravé en 22 nanomètres (1 nanomètre = milliardième d’un mètre).

Ces transistors tridimensionnels Tri-Gate représentent l’abandon de la structure planaire bidimensionnelle qui est à la base de non seulement tous les ordinateurs, les téléphones mobiles et l’électronique grand public à de jour, mais aussi les commandes embarquées à bord des véhicules, de l’avionique, des appareils ménagers, des appareils médicaux et virtuellement des milliers d’autres appareils depuis des décennies.

« Les scientifiques et les ingénieurs d’Intel ont une fois de plus réinventé le transistor, en utilisant cette fois la troisième dimension. Des appareils novateurs et étonnants seront crées à partir de cette capacité qui nous permet de faire progresser la loi de Moore dans de nouveaux domaines » a déclaré Paul Otellini, PDG d’Intel.

Les scientifiques reconnaissent depuis longtemps les avantages d’une structure 3D pour soutenir le rythme de la loi de Moore, à une étape où les appareils et les composants deviennent si petits que les lois de la physique font obstacles aux progrès. Cette loi est une prévision pour le rythme de développement de la technologie de silicium qui indique qu’environ tous les deux ans la densité de transistor doublera, tout en augmentant la fonctionnalité et la performance et en abaissant les coûts. Il est devenu le modèle d’affaires pour l’industrie des semi-conducteurs depuis plus de 40 ans.

Economies d’énergie et gains de performances sans précédent

Les transistors 3D Tri-Gate d’Intel permettent aux puces de fonctionner à plus faible tension et avec moins de fuite de courant, ce qui débouche sur une combinaison inédite de gains de performances et de rendement électrique par rapport aux précédents transistors les plus modernes. Ces capacités offrent aux concepteurs de puces la souplesse de choisir des transistors en fonction de leur faible consommation ou de leurs fortes performances, selon l’application.

Les transistors 3D Tri-Gate 22 nm affichent ainsi des gains de performances allant jusqu’à 37 % en basse tension par rapport aux transistors planaires 32 nm d’Intel. Ce gain considérable les rend idéaux pour une utilisation dans de petits terminaux de poche, dont le fonctionnement consomme moins d’énergie. Alternativement, les nouveaux transistors consomment plus de moitié moins pour des performances identiques à celles de leurs prédécesseurs 2D planaires sur puces 32 nm.

« Les gains de performances et les économies d’énergie qu’affichent les transistors 3D Tri-Gate d’Intel, uniques en leur genre, ne ressemblent à rien de ce qui a déjà été fait. Cette étape va également plus loin qu’une simple validation continue de la loi de Moore. Les avantages en tension et en consommation électrique dépassent de loin ceux que l’on peut en général obtenir d’une génération de techniques de gravure à une autre. Ils donneront aux concepteurs de produits la flexibilité de rendre les appareils existants plus intelligents et en rendront possible de tout nouveaux. Nous estimons que cette percée viendra encore conforter le leadership d’Intel sur le reste du secteur des semi-conducteurs » a précisé Mark Bohr, Intel Senior Fellow.

Poursuite de la cadence de l’innovation : la loi de Moore

Les transistors deviennent toujours plus petits, moins chers et plus économes en énergie. C’est ce que prédit la loi de Moore, baptisée du nom d’un des cofondateurs d’Intel, Gordon Moore. En raison de cela, Intel a pu innover et intégrer, ajoutant à chaque fois des fonctions et des cœurs de traitement aux puces, d’où des gains de performances et un coût de fabrication en baisse par transistor.

Or la validation de cette loi atteint un nouveau seuil de complexité avec la gravure en 22 nm. Anticipant cet obstacle, les chercheurs d’Intel on inventé dès 2002 ce qu’ils ont baptisé un transistor Tri-Gate, ainsi nommé en raison des trois côtés de leur porte. L’annonce d’aujourd’hui intervient après plusieurs années de développement dans le pipeline de recherche-développement-production hautement coordonné d’Intel et marque l’arrivée de ce travail en fabrication de grande série.

Les transistors 3D Tri-Gate marquent une réinvention du transistor. La porte planaire (« plate ») en deux dimensions est en effet remplacée par une ailette tridimensionnelle incroyablement fine, en position verticale par rapport au substrat de silicium. Le contrôle du courant intervient en plaçant une porte sur chacun des trois côtés de l’aileron (une sur chaque côté et une troisième au-dessus) et non plus seulement une au-dessus, comme c’est le cas pour un transistor planaire en 2D. Ce contrôle supplémentaire permet la transmission d’autant de courant que possible lorsque le transistor est en mode actif (dans un souci de performances) et aussi proche de zéro que possible quand il est en mode éteint (pour limiter la consommation électrique). Il lui permet ainsi de passer très rapidement d’un état à l’autre, là encore, dans un souci de performances.

De même que les gratte-ciel permettent aux urbanistes d’optimiser l’espace disponible en construisant en hauteur, la structure du transistor 3D Tri-Gate constitue un moyen de gérer la densité. Comme ces ailerons sont verticaux, les transistors peuvent être rangés de manière plus dense les uns à côté des autres, ce qui est essentiel aux avantages technologiques et économiques de la loi de Moore. Pour les futures générations de transistors, les concepteurs auront aussi la capacité d’allonger les ailerons pour en tirer encore plus de performances et de rendement électrique.

« Depuis des années, nous avons constaté les limites à la miniaturisation des transistors. Ce changement dans leur structure de base représente une approche réellement révolutionnaire, qui devrait permettre à la loi de Moore et au rythme de l’innovation de perdurer » a indiqué justement l’inventeur de cette loi.

Première démonstration mondiale de transistors 3D Tri-Gate 22 nm

Le transistor 3D Tri-Gate sera implémenté à l’occasion du passage au prochain procédé de fabrication, la gravure en 22 nm, qui fait référence à la taille de gravure d’un transistor.

Intel a fait la démonstration du premier microprocesseur 22 nm au monde, nom de code Ivy Bridge, sur PC portable, serveur et PC de bureau. Les processeurs Intel® Core™ à base de puces Ivy Bridge seront les premiers à être fabriqués en grande série et à bénéficier de transistors 3D Tri-Gate.

Les puces Ivy Bridge sont prévues pour une production de grande série d’ici à la fin de l’année.