Pourquoi les transistors 2D sont importants pour l'avenir des PC
La technologie des transistors est au cœur de tous les processeurs (CPU) et cartes graphiques (GPU) modernes. À mesure que les puces deviennent plus petites et plus puissantes, les fabricants recherchent constamment de nouveaux matériaux et de nouvelles conceptions pour améliorer leurs performances sans surchauffe ni gaspillage d'énergie. L'une des pistes les plus prometteuses dans ce domaine est l'utilisation de matériaux 2D pour les transistors du futur.
Intel et son partenaire de recherche Imec ont réalisé une avancée majeure pour la prochaine génération de puces. Ils ont présenté la première intégration, compatible avec une fabrication sur 300 mm, de contacts et de structures de grille pour transistors 2D. Autrement dit, ils ont fait sortir les matériaux 2D du laboratoire et les ont rapprochés d'une production industrielle sur des plaquettes de silicium de taille réelle.
Il ne s'agit pas d'une nouvelle carte graphique ni d'un processeur disponible à l'achat dès aujourd'hui. C'est plutôt un composant essentiel qui pourrait façonner les performances et l'efficacité des processeurs pour la prochaine décennie et au-delà.
Que sont les transistors 2D et pourquoi sont-ils importants ?
Les transistors traditionnels utilisés dans les processeurs et les cartes graphiques sont fabriqués à partir de matériaux tridimensionnels comme le silicium et ses dérivés. À mesure que les ingénieurs réduisent la taille des particules, ils se heurtent à des limites physiques. Le courant de fuite, la chaleur et le contrôle du canal deviennent alors plus difficiles à maîtriser.
Les matériaux 2D sont des cristaux ultra-minces dont l'épaisseur ne dépasse pas quelques atomes. Le graphène et les dichalcogénures de métaux de transition, comme le MoS2, en sont quelques exemples bien connus. Grâce à leur extrême finesse, les matériaux 2D offrent de nombreux avantages :
- Un meilleur contrôle électrostatique du canal contribue à réduire les fuites et à améliorer le comportement de commutation.
- Possibilité de réaliser des transistors beaucoup plus petits sans les pertes de performance habituelles.
- Amélioration de l'efficacité énergétique permettant aux puces de fournir plus de travail par watt
- De nouvelles architectures de dispositifs difficiles voire impossibles à réaliser avec les matériaux traditionnels.
Pour les joueurs et les utilisateurs de PC, à long terme, ce type de technologie pourrait se traduire par des processeurs offrant des fréquences d'images plus élevées, un meilleur multitâche et une création de contenu plus rapide, tout en consommant moins d'énergie et en générant moins de chaleur.
Malgré leur potentiel, ces matériaux sont restés jusqu'à présent principalement confinés aux laboratoires de recherche. Le principal défi consiste à passer des dispositifs expérimentaux miniatures aux procédés de fabrication permettant de traiter des plaquettes de taille réelle à l'aide d'équipements similaires à ceux utilisés par les grandes usines de semi-conducteurs.
Ce qu'Intel et Imec ont réellement accompli
L'annonce d'Intel et d'Imec porte sur l'intégration de deux éléments essentiels d'un transistor fabriqué à partir de matériaux 2D : les contacts et la structure de grille.
Les contacts assurent la connexion du transistor au reste du circuit. Des contacts défectueux engendrent une résistance, ce qui entraîne une perte de puissance et une limitation de la vitesse. La structure de grille contrôle l'activation et la désactivation du transistor. Elle comprend généralement plusieurs couches, telles que le diélectrique de grille et l'électrode de grille. Le bon fonctionnement de ces deux éléments avec des matériaux à canal 2D est essentiel pour les dispositifs réels.
Ce qui rend ce travail remarquable, c'est la démonstration de cette intégration sur des plaquettes de 300 millimètres. Il s'agit de plaquettes de taille standard utilisées dans les usines de fabrication de semi-conducteurs modernes pour la production en grande série de puces. La compatibilité avec les usines de fabrication signifie que le procédé a été développé de manière à pouvoir être intégré aux flux de production industriels, et non comme une expérience de laboratoire fragile sur de minuscules échantillons.
Cela ne signifie pas que la production en série de processeurs à transistors 2D débutera demain. Il s'agit plutôt de la preuve que les étapes cruciales peuvent être franchies dans un environnement proche de celui de la fabrication de puces. À partir de là, les ingénieurs peuvent affiner le procédé, améliorer les rendements et commencer à concevoir des prototypes de circuits logiques utilisant ces transistors 2D.
Dans le domaine du développement des semi-conducteurs, il s'agit d'une étape cruciale. Transformer un nouveau matériau, d'abord simple curiosité de recherche, en un produit que les grandes fonderies pourraient un jour adopter est un processus long et complexe. Chaque étape franchie pour le rendre compatible avec la production industrielle nous rapproche de cet avenir.
Quelles pourraient être les conséquences pour l'avenir des jeux vidéo et du matériel informatique ?
Pour la plupart des utilisateurs de PC et des joueurs, cette nouvelle concerne davantage les tendances à long terme que les mises à niveau immédiates. Vous ne trouverez pas de processeurs ou de cartes graphiques à transistors 2D dans le commerce dans un avenir proche. Cependant, cela s'inscrit dans la stratégie globale d'entreprises comme Intel visant à améliorer sans cesse les performances au-delà des limites actuelles du silicium.
Si les transistors 2D finissent par être intégrés à la production de circuits logiques en grande série, voici quelques avantages que nous pourrions constater :
- Une densité de transistors plus élevée permet d'intégrer davantage de cœurs, des caches plus importants et des architectures plus complexes sur une même surface de puce.
- Consommation d'énergie réduite pour des ordinateurs portables et de bureau de jeu plus silencieux et à une température plus basse.
- Des performances améliorées par watt, un point crucial pour les configurations de jeu haut de gamme et les serveurs de cloud gaming.
- Nouvelles conceptions potentielles pour l'accélération de l'IA, la simulation physique et d'autres charges de travail importantes pour les jeux et applications modernes
Chaque transition majeure et chaque avancée technologique concernant les matériaux a permis d'améliorer les graphismes, la fluidité du jeu et de créer des mondes plus réalistes. Dans une perspective plus globale, le travail sur les matériaux 2D s'inscrit dans cette même évolution continue.
Pour les passionnés qui suivent l'évolution des processeurs et des cartes graphiques, cette avancée confirme l'investissement massif de l'industrie dans les technologies qui équiperont les futurs PC de jeu, stations de travail et infrastructures cloud. Malgré les nombreux défis techniques à relever, la démonstration par Intel et Imec d'une intégration compatible avec la fabrication sur des plaquettes de 300 millimètres laisse entrevoir une transition de la théorie à la pratique pour les transistors 2D.
Article et image originaux : https://www.tomshardware.com/tech-industry/semiconductors/intel-shows-300-mm-fab-compatible-integration-of-2d-transistor-contacts-and-gate-stacks
