Silicium : le bout de la route

Avènement de la nanoélectronique (de la microélectronique à la nanoélectronique) 11/10/2017
Auteurs : Jacques Girard
Publication REE REE 2005-8
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2005-8:20233
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Silicium : le bout de la route

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Sulu a a Silicium : le bout de la route Av Avènement de la nanoélectronique (de la microélectronique à la nanoélectronique) Par Jacques GIRARD (Supélec 58) x Professeur à LISEP et à lecole des Mines de Paris Membre Emérite de la SEE 1. Etat actuel de la miniaturisation La puce (le cerveau de l'ordinateur) est constituée d'un réseau de minuscules neurones : les transistors. Un nouveau record de miniaturisation vient d'être établi au laboratoire du Groupe dispositifs nanoélectroniquessur silicium au CEA-LETI (Laboratoire d'électronique, de technologie et d'instrumentation du CEA à Grenoble). Avec une longueur de 18 nanomètres, on peut en ranger plus de 17 milliards sur une pièce de un euro. L'intégration sur une puce ne devrait pas avoir lieu avant 2015 au plus tôt. On touche ici aux limites de la technologie du silicium. Les problèmes sont de plus en plus nombreux au fur et à mesure que le transistor se rapproche de l'échelle atomique. SEMATECH (Semiconducteur Manufacturing Technology), consortium regroupant les principaux industriels de la filière du silicium, souligne ces limites dans son dernier « plan de route » censé identifier les défis technologiques des quinze prochaines années. Selon eux « une approche complètement différente sera nécessaire pour prolonger la miniaturisation ». C'est une révolution dans les transistors aussi bien sur les plans conception et réalisation que sur le plan pédagogique : le premier virage depuis plus de quarante ans ! 2. Trois règles sur la route du silicium Depuis quarante ans, pour améliorer la performance des puces, les transistors qui dévalent « laroute du silicium » doivent respectertrois règlesou lois : lois d'échelle, de Moore et de Rock. Loi d'échelle La loi d'échelle a fixé unefois pour toutesla fonne du transis- tor. Si la longueur d'un nouveau transistor seréduit d'un facteur k, il doit en être de même pour sa largeur, son épaisseur d'iso- lant et la tension exercéesur sagrille. La vitesse, qui dépend de la distance, augmente d'un facteur k et la mémoire, qui dépend de la surface, d'un facteur k'. En cours de route, il peut arriver que le transistor ne respecte pascetteéchelleet sedéformesuivantlescapacitéstechnologiques des conducteurs. Mais les proportions optimales sont toujours rétablies. La loi d'échelle fixe donc la direction de la route. Loi de Moore Tous les trois ans, le nombre de transistors sur une plaque de silicium quadmple.Tous les trois ansapparaîtdonc une nouvel- le génération de transistors, engendrant de nouveaux records de performance. Établie en 1965 par Gordon Moore, cofondateur d'INTEL et oracle surdoué, cette loi sert aujourd'hui encore à prévoir les caractéristiques des futures générations de puces. Le gigabit (un milliard de transistors sur une même puce) est prévu pour dans dix ans. La construction de la route du silicium est un travail délicat : le tracé doit se faire en ligne droite et la vitessedestravaux est imposée. Loi de Rock Rock, un autre collaborateur d'INTEL, stipule que le coût de fabrication d'une puce double tous les quatre ans. Les cent cinquante fabricants mondiaux actuels ne peuvent tous suivre ce rythme démentiel. La tendance est donc aux regroupements industriels et au cofinancement. Le prix du silicium entre, pour une part négligeable, dans la facture : c'est l'usine et la recherche qui coûtent cher. Depuis plus de quarante ans, le chiffre d'affaires mondial du marché de la microélectronique (qui devient en fait la nano- électronique) est ainsi en constante progression pour atteindre aujourd'hui 15 milliards d'euros par an. Il représentera, dans dix ans, plus de 40 % du marché global de l'électronique (qui sera alors le marché dominant dans le monde). La fabrication de transistors sera devenue un savoir-faire stratégique. Ce seront les Etats qui financeront les usinesàpuces dont le coût unitaire atteindra près de 50 milliards d'euros. Dans une vingtaine d'années, il n'existera plus, dans le monde, qu'une dizaine de fabricants de semi-conducteurs et peut-être même moins ! 3. Le mur de l'atome Une des limites fondamentales à la miniaturisation destran- sistors est désormais connue. C'est la largeur de l'isolant entre le canal du transistor et la grille. L'épaisseur minimale de cette couche vient d'être calculée : elle ne doit pas avoir moins de cinq atomes de silicium, soit environ 0,7 nanomètre. Une dimension qu'elle atteindra normalement dès 2012. REE N 8 Setptembre 2005 > L'article nvité 5 D Silicium : le bout de la route < Pour une épaisseur inférieure, le courant traverse l'isolant, rendant le transistor caduc. Une seconde frontière tout aussi cruciale est la distance entre le point d'arrivée du courant et son point de sortie. Ainsi treize atomes de silicium (soit une longueur de quatre nano- mètres) sont nécessairespour assurer le fonctionnement de la machine. Cette distance sera atteinte dans moins de dix ans. 4. Vers l'infiniment petit (passage de la microélectronique vers la nanoélectronique) A-t-on besoin de prolonger encore au-delà de cette miniatu- risation ?Avec six ou sept atomes d'épaisseur et treize entre la source et le drain, le transistor sera peut-être l'ultime transistor à silicium ! Une puce ayant cette dimension pourra charger l'ensemble des données disponibles actuellement sur l'Internet (environ 48 térabits) en vingt minutes. Une performance a priori suffisante pour les ordinateurs de bureau. Mais de nou- velles applications sont imaginées. La puce sera tellement petite qu'elle envahira tous nos objets quotidiens. Elle pourra, en particulier, s'intégrer à des nanorobots injectés dans le corps pour y détecter maladies et dysfonctionnements génétiques. La technologie du silicium est insuffisante pour réaliser ces nouveaux projets. Il faut au bout de cette route du silicium, tracer un nouveau chemin pour prolonger le voyage vers l'infiniment petit. 5. Succession du silicium : de nouvelles pistes Pour éviter ce « crash » de l'intégration, plusieurs pistes sont d'ores et déjà à l'étude : 5.1 Un nouvel avenir du silicium 'Letransistor en trois dimensions qui intègre la technolo- gie du silicium avec des connexions non plus seulement horizontales mais aussi verticales. · Inclusiondes fonctions optiques dans les circuits inté- grés classiques grâce aux travaux effectués au niveau d'un laser au silicium. Autrement dit, combiner les avantages de la photonique à ceux du silicium ? Cette intégration de fonctions optiques vise à remplacer les électrons par desphotons et le courant électrique par des signaux lumineux. Son intérêt est double : un gain de vitesse (la lumière est le moyen le plus rapide pour trans- porter une information) et une absence d'interférence (donc de mélange) entre signaux d'origines différentes. La réalisation d'une telle puce devrait être atteinte dans les dix annéesà venir. 'La mise au point de puces hybrides silicium-logiciel, dont la conception est fondamentalement différente de toutes celles produites jusqu'à présent. Le principe de cespuces hybrides est basésur l'apport d'un supplément d'intelligence pour alléger leur fonctionnement matériel. Autrement dit, cespuces ont un complément logiciel qui effectue le traitement d'une bonne partie de ce que les autres puces conventionnelles réalisent dans le silicium. L'idée est de libérer, autant que possible, la puce de son « jeu d'instructions ». En effet, à chacune des instruc- tions correspond une opération câblée dans le circuit de la puce gravée dans le silicium. Les inventeurs de la nouvelle logique, qui ont été déjà à l'origine des architecturesRISC (Reduced Instruction Set Computer,ordinateur àjeu d'instructions réduit) ont mis en place des mots d'instruction très longs qui per- mettent de combiner plusieurs opérations en une seule instruction codée, dans un premier temps sur un mot de 128 bits. Ces opérations sont effectuées en un cycle d'horloge du processeur.En réalité, la véritable innova- tion de ces inventeurs est d'avoir interposé « une couche logicielle » entre le circuit intégré proprement dit et les programmes qu'il exécute, donc entre le jeu d'instruc- tions de la puce qu'il exécute et celui du programme exé- cuté. Les deux sont dissociés, ce qui permet de faire évo- luer l'un indépendamment de l'autre. 5.2. Recherche de nouveaux concepts de transistor et « Franchissement du mur quantique » Mur quantique L'élaboration d'objets de taille nanométrique a pris de l'ampleur durant la dernière décennie grâce aux découvertes de nouvelles propriétés physiques associéesà la taille des objets étudiés. En effet, à l'échelle nanométrique, les électrons ne suivent plus les lois classiques et des effets spectaculaires apparaissent tels que l'existence, en particulier, de courant en l'absence de tension ! Lorsque l'on s'intéresse au transport électronique en dimension de plus en plus réduite, il apparaît une longueur caractéristique dite « longueur de cohérence de phase » en dessous de laquelle se manifeste le comportement quantique des électrons ; on franchit dans ce cas ce que l'on pourrait appeler le « mur quantique . Cette longueur peut varier de la dizaine de nanomètres à plusieurs centièmes suivant la matière et la température. Ainsi intervient dans le domaine nanométrique la physique quantique qui va introduire au niveau des circuits électroniques seslois propresqui peuventêtreàl'origine depropriétésnouvelles... Cette révolution nous rappelle étrangement l'avènement des transistors dans les années50 ! Cette théorie quantique, née dans les années 1920, modifie actuellement de fond en comble notre conception de la réalité. Elle nous oblige ainsi à accepter qu'une particule puisse se trouver à la fois ici et là, ou qu'une porte quantique (à la diffé- rence d'une porte obéissant à la logique booléenne) peut être à la fois ouverte et fermée. Un bouleversement s'est déjà produit à travers la découverte des lasers. Dans les années 1960, il y a eu une nouvelle vague de pro- grès importante dans le monde quantique. Ainsi, d'une part des physiciens ont prouvé la propriété extraordinaire qu'est l'insé- parabilité quantique (une paire d'objets préparés dans un état REE No 8 Septembre 2005 quantique dit intriqué se comporte comme un système unique, même si les deux objets sont très éloignés l'un de l'autre). D'autre part, les physiciens ont appris à manipuler un par un des électrons, des ions, des atomes ou des photons, grâce à la découverte d'une nouvelle génération de microscopes dits à effet tunnel et à force atomique. Il a fallu ensuite clarifier la façon d'appliquer le formalisme quantique à based'équations de Schrodinger des années 1920, de nature probabiliste, à des objets individuels et pas seulement à des assembléesstatistiques d'objets. On aboutit ainsi à explorer ce qui se passederrière le mur quantique et à assisteren particulier à une révolution de l'infor- mation dite quantique avec, en particulier, l'avènement de la cryptographie quantique, dont les premiers démonstrateurs existent déjà, et les études menéessur le futur ordinateur quan- tique basésur la notion des qubits. Alors que le bit informatique classique (celui de nos ordinateurs) est égal soit à 0, soit à 1, le bit quantique (ou qubit) peut être dans les deux états à la fois ! Par exemple, il peut valoir 0 avec une probabilité de 13 % et 1 avec une probabilité de 87 %. De la même façon, alors qu'un système informatique clas- sique à 2 bits ne peut se mettre que dans l'un des quatre états distincts (00), (01), (10) ou (II), un système à deux qubits peut prendre ces quatre états en même temps, chacun étant associéà une certaine probabilité. Un système à trois qubits est donc une superposition de huit états et un système à n qubits une super- position de 2 "états. Ce systèmequantique à basede qubits permettrait un traite- ment de l'information en parallèle massif, qui n'a pas d'équi- valent dans le monde classique au point du vue de performance en puissancede calcul (nos supercalculateurs classiques actuels de type vectoriel ou scalaire sont loin d'atteindre ces perfor- mances quantiques possibles). De nombreux obstacles doivent être cependantfranchis avant d'obtenir de tels résultats (problè- me, en particulier, de la décohérence dès que l'objet quantique a des contacts avec le monde extérieur !) 5.3. Domaines de l'électronique moléculaire et du traitement quantique de l'information : le monde des nanosciences * Ces deux domaines dont on vient de donner quelques carac- téristiques relèvent des nanosciences. Précisons que deux approches peuvent être utilisées pour fabriquer des objets à l'échelle du nanomètre. La première est une approche dite descendante(ou « top down ») adoptéedès le début de l'ère microélectronique qui permet d'obtenir jusqu'à ce jour et pour quelques années encore des objets nanomé- triques grâce au développement des techniques de lithographie ultime (sur des échelles dépassantla dizaine de nanomètres). L'autre approche nécessaire pour obtenir des objets de quelques nanomètres s'inspire de la synthèsechimique : elle est dite ascendante (ou « bottom up ») et consiste à assembler atome par atome un objet nanométrique. Cette dernière approche, très prometteuse, doit son évolu- tion et son utilisation à des découvertes fondamentales des années 1990. On peut citer à nouveau, en particulier, la découverte des microscopes à « sonde locale » qui dérivent du microscope à effet tunnel, et la mise au point d'algorithmes de traitement quantique de l'information. Cette approche ascendanteest ainsi baséesur une stratégie moléculaire qui permet de synthétiser des molécules ou des nanotubes possédant des propriétés électriques et magnétiques liées à leur taille nanométrique. Cette « électronique moléculaire » permettra de réaliser des composants et des circuits constitués d'une ou de quelques molécules et, par extension, d'un ou de quelques objets de taille comparable à celle d'une petite molécule (typiquement 5 nano- mètres), ce qui implique la synthèse de nano-objets dotés de fonctionnalités, puis leur connexion à desélectrodes externes et enfin l'organisation de composants ainsi formés en circuits. À cette électronique moléculaire doit être associé le traitement quantique de l'information avec la notion des bits quantiques vue précédemment. Ces deux domaines connexes, en très forte croissance au plan mondial, nécessitent de façon générale une réflexion profonde sur les paradigmes de calcul. Tous deux s'appuient sur des phénomènes physiques proches (cohérence quantique et transport de charges) se produisant à la même échelle nano- métrique et la maîtrise technologique de la nanofabrication associée. Enfin ces deux domaines, qui relèvent encore en grande partie de la recherche fondamentale, laissent envisager de nou- veaux produits qui pourraient révolutionner de nombreux domaines d'activités, en particulier ceux de la communication et de la médecine. Il est à noter qu'il existe une feuille de route « ITRS » (International Technology Roadmap for semiconductors), un consensusinternational sur les moyens à développer pour conti- nuer à progresser selon la « loi de Moore ». c Ce qui est certain est que ce secteur des nanosciences,qui est à rapprocher de celui des neurosciences(basésur la méthode dite « auto-assemblage » de molécules) est le théâtre d'un début de structuration au travers d'une concentration d'équipes de chercheurs et d'industriels pluridisciplinaires travaillant en « grappes » (clusters), afin de mieux tirer parti des moyens dis- ponibles extrêmement coûteux. Déjà, en France, a été lancé en 2003 un réseaunational en nanosciences et nanotechnologies, formé par six grands pôles c réunissant chacun à la fois la recherche, le développement, l'in- dustrialisation et l'enseignement (Lille, Grenoble, Toulouse, c Besançon, Ile-de-France et Marseille). Note : Pourleslecteursdecechapitretraitanten particulierdela mécanique quantique,qui leur semblemalgrétout un mondeflou et mystérieux malgrélesefforts faits pour la comprendre,il estintéressant de rappelerce qui disait le grandphysicien RichardFeynmann,prix Nobel, à ses étudiants: « Si vous avel-, le seiitii ? ieiit d'tiroir coiîipris, reiiiettez-vozis au travail, c'est que vous ii'avez rieii cotiipi-is ». En réalité,il nepeutêtre questionde « comprendre » maisplus modestement desefaire uneidée. REE Na 8 Setptembre 2005 r L'articl -1 invité t i Silicium : le bout de la route < 6. Rôle de !') SEP dans cette nouvelle ère de la nanoélectronique dans le domaine de l'enseignement des années 2010-2020 L'arrivée prochaine de la nanoélectronique va nécessiter la présencede techniciens et d'ingénieurs qui soient de formation pluridisciplinaire (électronique, physique classique, informa- tique, optique, ce qui est le cas aujourd'hui mais aussi chimie, neurobiologie, physique quantique, nanomécanique... ce qui n'est pas le cas actuellement). Aussi une réflexion doit-elle être engagéedèsmaintenant sur le contenu de l'enseignement qui devrait être dispensédans nos écoles d'ingénieurs et université à vocation électronique, afin de s'adapter à cette nouvelle ère de la nanoélectroniquequi corres- pond à l'avènement d'une nouvelle civilisation dite « cognitive » (à distinguer de celle dite « industrielle » pour laquelle le métier del'ingénieur, qui s'est épanoui avecl'industrialisation, risque de laisser place à d'autre métiers liés à cet avènement). L'ISEP a pris l'initiative de créer déjà en son sein un groupe de travail pour jeter les basesd'un enseignement futur adapté à l'arrivée de la nanoélectronique. Il est prévu d'agrandir dès maintenant ce groupe de travail avec des membres d'autres écoles et universités concernées par ce sujet (Supélec, écoles de chimie et de biologie, Ecole poly- technique...) et des membres industriels (tels que THALES, ALTRAN...) pour exprimer les besoins futurs dans ce domaine. L'objectif à terme de ces réflexions est de faire des recom- mandations sur les programmes futurs de formation en nano- électronique en liaison avec des organismes officiels : Education Nationale et CNFM (Centre national de formation microélectronique). En particulier, il seratemps de contacter ultérieurement des organismes européensdansle but d'harmoniser nos propositions avec celles issuesprobablement de la Communauté européenne. Référence . Dossier REEde septembre 2003 sur les nanotechnologies 9 Dossier REEde janvier 2004 sur les nanotechnologies REE No 8 Septembre 2005