IBM : les transistors à nanotubes commerciaux arrivent bientôt

Depuis plus d'une décennie, les ingénieurs craignent de manquer d'astuces pour continuer à rétrécir les transistors en silicium. Les dernières puces d'Intel ont des transistors avec des caractéristiques aussi petites que 14 nanomètres, mais on ne sait pas comment l'industrie peut continuer à réduire les transistors au silicium ou ce qui pourrait les remplacer.

Test de puce : Chaque puce de cette plaquette contient 10 000 transistors à nanotubes. IBM espère pouvoir mettre des milliards d'appareils sur une seule puce peu après 2020.

Un projet chez IBM vise maintenant à construire des transistors à l'aide de nanotubes de carbone prêts à remplacer les transistors au silicium peu après 2020. Selon la feuille de route de l'industrie des semi-conducteurs, les transistors à ce stade doivent avoir des caractéristiques aussi petites que cinq nanomètres pour suivre le rythme continu. miniaturisation des puces informatiques. C'est là que la mise à l'échelle du silicium s'essouffle, et il n'y a vraiment rien d'autre, explique Wilfried Haensch, qui dirige le projet de nanotubes de l'entreprise au T.J. Centre de recherche Watson à Yorktown Heights, New York. Les nanotubes sont la seule technologie qui semble capable d'empêcher l'avancée de la puissance informatique de ralentir, en offrant un moyen pratique de fabriquer des transistors à la fois plus petits et plus rapides, dit-il.

En 1998, des chercheurs d'IBM ont fabriqué l'un des premiers transistors à nanotubes de carbone fonctionnels. Et maintenant, après plus d'une décennie de recherche, IBM est la première grande entreprise à s'engager à préparer la technologie pour la commercialisation.

Nous avons déjà travaillé dessus comme un type de bac à sable, dit James Hannon , responsable du groupe assemblages moléculaires et dispositifs d'IBM. Hannon a dirigé les travaux d'IBM sur les nanotubes avant Haensch, qui a pris la relève en 2011 après une carrière dans la fabrication de puces conventionnelles. Wilfried nous a rejoint avec une formation en technologie du silicium [et] notre objectif a vraiment changé.

L'équipe de Haensch a choisi la cible de commercialisation sur la base du calendrier des améliorations techniques que l'industrie des puces a élaboré pour maintenir en vie la loi de Moore, une prédiction datant de 1965 selon laquelle le nombre de transistors pouvant être entassés dans un circuit doublerait tous les deux ans. Des générations de technologies de fabrication de puces sont connues par la taille de la plus petite structure qu'elles peuvent écrire dans une puce. Le meilleur actuel est de 14 nanomètres, et d'ici 2020, afin de suivre la loi de Moore, l'industrie devra être réduite à cinq nanomètres. C'est à ce moment qu'IBM espère que les nanotubes pourront intervenir. rapport le plus récent du groupe de l'industrie des micropuces, l'ITRS indique que le nœud dit de cinq nanomètres est prévu pour 2019.

IBM a récemment fabriqué des puces avec 10 000 transistors à nanotubes (voir How to Build a Nanotube Computer ). Il travaille maintenant sur une conception de transistor qui pourrait être construite sur les plaquettes de silicium utilisées dans l'industrie aujourd'hui avec des modifications minimales des méthodes de conception et de fabrication existantes. La conception a été choisie en partie sur la base de simulations qui ont évalué les performances d'une puce avec des milliards de transistors. Ces simulations suggèrent que la conception choisie devrait permettre à un microprocesseur d'être cinq fois plus rapide qu'un processeur au silicium utilisant la même quantité d'énergie.

La conception choisie par IBM utilise six nanotubes alignés en parallèle pour fabriquer un seul transistor. Chaque nanotube mesure 1,4 nanomètre de large, environ 30 nanomètres de long et est espacé d'environ huit nanomètres de ses voisins. Les deux extrémités des six tubes sont intégrées dans des électrodes qui fournissent du courant, laissant environ 10 nanomètres de leur longueur exposés au milieu. Une troisième électrode passe perpendiculairement sous cette partie des tubes et allume et éteint le transistor pour représenter des 1 et des 0 numériques.

L'équipe d'IBM a testé des transistors à nanotubes avec cette conception, mais jusqu'à présent, elle n'a pas trouvé de moyen de positionner les nanotubes suffisamment près les uns des autres, car la technologie de puce existante ne peut pas fonctionner à cette échelle. La solution privilégiée est de marquer chimiquement le substrat et les nanotubes avec des composés qui les amèneraient à s'auto-assembler en position. Ces composés pourraient ensuite être éliminés, laissant les nanotubes correctement disposés et prêts à recevoir des électrodes et d'autres circuits ajoutés pour terminer une puce.

L'équipe de Haensch achète des nanotubes en vrac auprès de fournisseurs industriels et filtre les tubes ayant les bonnes propriétés pour les transistors à l'aide d'une version modifiée d'une machine utilisée pour filtrer des molécules telles que des protéines dans l'industrie pharmaceutique. Il utilise une charge électrique pour séparer les nanotubes semi-conducteurs utiles pour les transistors de ceux qui conduisent l'électricité comme les métaux et ne peuvent pas être utilisés pour les transistors.

L'année dernière, des chercheurs de Stanford ont créé le premier ordinateur simple construit en utilisant uniquement des transistors à nanotubes (voir Le premier ordinateur à nanotubes). Mais ces composants étaient encombrants et lents par rapport aux transistors au silicium, dit Subhasish Mitra , un professeur qui a travaillé sur le projet. Nous savons maintenant que vous pouvez construire quelque chose d'utile avec des nanotubes de carbone, dit-il. La question est, comment obtenez-vous les performances dont vous avez besoin ?

Bien qu'IBM n'ait pas trouvé comment fabriquer des transistors à nanotubes suffisamment petits pour une production en série, Mirta affirme avoir pris des mesures concrètes et conçu des processus qui devraient être adaptés à l'industrie des semi-conducteurs.

Cependant, pour l'instant, l'effort d'IBM en matière de nanotubes reste dans ses laboratoires de recherche, et non dans son unité commerciale de semi-conducteurs. Et les chercheurs sont ouverts sur le fait que le succès n'est pas garanti. En particulier, si les transistors à nanotubes ne sont pas prêts peu après 2020, lorsque l'industrie en a besoin, la fenêtre d'opportunité pourrait être fermée, explique Hannon d'IBM.

Si les nanotubes ne le font pas, il n'y a pas grand-chose d'autre qui montre un grand potentiel pour remplacer les transistors au silicium dans ce laps de temps. Les dispositifs qui manipulent le spin des électrons individuels sont les candidats les plus proches (voir Silicon-Based Spintronics ), mais ils sont moins matures et, contrairement aux nanotubes de carbone, ils ne se comportent pas de la même manière que les transistors au silicium, explique Hannon.

cacher