Le silicium, un matériau à bout de souffle pour les puces électroniques ?

L’histoire que vous lisez actuellement sur votre écran est rendue possible grâce à de minuscules interrupteurs appelés transistors. Les puces électroniques dans les ordinateurs contiennent des milliards de ces transistors, chacun envoyant des signaux électriques en fonction de ce que vous voulez que l’ordinateur fasse.

Des puces électroniques comme celles-ci sont devenues à la fois essentielles et incroyablement minuscules dans la quête pour extraire plus de puissance de calcul à partir de moins d’espace. Un seul globule rouge éclipse le transistor moyen d’aujourd’hui, qui est environ mille fois plus petit. C’est encore trop grand.

Dans un futur dominé par les données et l’intelligence artificielle (IA), même les micropuces les plus « minuscules » devront se réduire encore plus – et utiliser moins d’énergie pour démarrer.

Les limites de la loi de Moore

Les micropuces actuelles dans les smartphones peuvent effectuer 17 milliards de calculs par seconde, les rendant des millions de fois plus puissantes que leurs prédécesseurs d’il y a plusieurs décennies. Cette incroyable progression de la puissance de calcul semble inimaginable – sauf que quelqu’un l’a imaginée : l’ingénieur Gordon Moore.

Moore, qui a co-fondé Intel, a prédit en 1965 que le nombre de transistors placés sur les micropuces doublerait chaque année pendant la décennie suivante. Il avait raison, et en 1975, lorsque le nombre de transistors sur une micropuce a dépassé 65 000, il a révisé le rythme de doublement à tous les deux ans. Ce qui est maintenant connu sous le nom de loi de Moore s’est avéré vrai, plus ou moins.

À un certain point, cependant, la loi de Moore commence à rencontrer des barrières physiques. Les matériaux commencent à se comporter différemment lorsque la taille des dispositifs disparaît au niveau atomique. Les dispositifs peuvent piéger trop de chaleur lorsqu’ils sont empilés ensemble, et ils rencontrent des limites en termes de mémoire et de vitesse. Encore plus pressant, notre besoin croissant de microélectroniques dévore l’énergie et devrait consommer un quart de l’offre mondiale d’ici 2030.

De meilleurs matériaux pour la microélectronique

Le silicium a été le matériau de travail utilisé pour fabriquer chaque vague successive de micropuces puissantes. Il est abondant, et sa conductivité – la capacité de transmettre de l’électricité – peut être ajustée en ajoutant des impuretés. La taille des microélectroniques toutefois est maintenant mesurée en nanomètres à un chiffre, soit un milliardième de mètre. Plus ils sont petits, plus il est difficile de modéliser ces impuretés de manière fiable.

En synthèse

Alors que les scientifiques explorent de nouveaux matériaux, configurations et techniques de fabrication pour la microélectronique, le Advanced Photon Source (APS), une installation utilisateur du DOE Office of Science, sera clé. Avec une mise à niveau actuellement en cours, les faisceaux de rayons X de l’APS deviendront jusqu’à 500 fois plus brillants. La luminosité accrue se prêtera également à des tailles de spot plus petites qui peuvent se concentrer sur les plus petites caractéristiques d’un matériau ou d’un dispositif semi-conducteur.

Les nouveaux outils puissants à Argonne contribueront à une sorte d’effet de volant d’inertie. L’APS et d’autres outils d’observation généreront plus de données que jamais. .

Pour une meilleure compréhension

1. Qu’est-ce que la loi de Moore ?

La loi de Moore, formulée par l’ingénieur Gordon Moore, prédit que le nombre de transistors placés sur les micropuces doublerait chaque année pendant la décennie suivante. Cette loi a été vérifiée jusqu’à présent, mais elle commence à rencontrer des barrières physiques avec la miniaturisation des dispositifs.

2. Quels sont les défis de la miniaturisation des microélectroniques ?

Les matériaux commencent à se comporter différemment lorsque la taille des dispositifs atteint le niveau atomique. Les dispositifs peuvent piéger trop de chaleur lorsqu’ils sont empilés ensemble, et ils rencontrent des limites en termes de mémoire et de vitesse. De plus, notre besoin croissant de microélectroniques consomme beaucoup d’énergie.

3. Quels sont les matériaux utilisés pour la fabrication des micropuces ?

Le silicium a été le matériau de travail utilisé pour fabriquer chaque vague successive de micropuces puissantes. Cependant, la taille des microélectroniques est maintenant mesurée en nanomètres à un chiffre, ce qui rend difficile la modélisation fiable des impuretés ajoutées pour ajuster la conductivité du silicium.

4. Comment les chercheurs d’Argonne abordent-ils ces défis ?

Les chercheurs d’Argonne abordent ces problèmes en combinant de nouveaux matériaux, des conceptions de matériel et de logiciel, et des méthodes de fabrication. Ils explorent des matériaux alternatifs et des conceptions pour contourner les limitations du silicium et augmenter l’efficacité énergétique.

5. Quel est le rôle de l’Advanced Photon Source (APS) dans cette recherche ?

L’APS, une installation utilisateur du DOE Office of Science, joue un rôle clé dans cette recherche. Avec une mise à niveau actuellement en cours, les faisceaux de rayons X de l’APS deviendront jusqu’à 500 fois plus brillants, ce qui permettra de se concentrer sur les plus petites caractéristiques d’un matériau ou d’un dispositif semi-conducteur.

Source : U.S. Department of Energy’s (DOE) Argonne National Laboratory