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Imprimez votre prochain PC
Comme Joseph Jacobson aime à le souligner, malgré tous les gains de performances des puces à semi-conducteurs au cours des dernières décennies, un circuit intégré typique - le cerveau derrière votre ordinateur - est encore beaucoup trop cher pour la plupart des gens sur la planète. Regardez la façon dont [une puce] est fabriquée, dit-il, frappant l'air d'une main tout en dirigeant une présentation PowerPoint avec l'autre. La fabrication d'une puce logique de haute qualité comme le processeur Pentium d'Intel, souligne-t-il, prend deux semaines, sept jours par semaine, 24 heures par jour. Les installations de fabrication de puces comme celles d'Intel représentent un outil de 1,6 milliard de dollars. Et il y a très peu de gens sur le globe qui peuvent toucher cet outil.
La solution de Jacobson : une usine de bureau capable d'imprimer des circuits directement sur un substrat, tel que le plastique, sans les dépenses et les tracas d'une usine de fabrication de plusieurs milliards de dollars. Jacobson, chef du groupe Printed PC au Media Lab du MIT, a déjà réussi à imprimer des transistors rudimentaires mais fonctionnels à l'aide d'une encre constituée de particules semi-conductrices de taille nanométrique. Notre objectif est de suivre la trajectoire empruntée par le silicium et de commencer à imprimer des processeurs avec peut-être plusieurs centaines de transistors, en passant à des milliers, puis plus, explique Jacobson. Nous devrions être en mesure de démontrer un processeur très simple dans les 12 à 18 prochains mois. Et il prédit que des puces logiques imprimées avec la vitesse et la puissance d'un Pentium pourraient éventuellement être possibles, rendant les micropuces disponibles pour une fraction du temps et des dépenses associés à la fabrication conventionnelle.
Si la vision de Jacobson devient réalité, cela pourrait tout changer dans le matériel informatique. L'électronique imprimée pourrait être suffisamment bon marché pour se frayer un chemin dans tout, du papier peint capable d'afficher des images modifiables aux circuits logiques conçus sur mesure. Une fabrique de puces sur chaque ordinateur de bureau pourrait amener le jour où les individus téléchargeront l'architecture des circuits intégrés de la même manière qu'ils téléchargent des logiciels aujourd'hui. Cela pourrait, en bref, transformer la fabrication de matériel de la même manière que le mouvement open source a changé la façon dont les logiciels sont écrits. En effet, à son plus visionnaire, Jacobson soutient que la logique imprimée pourrait donner lieu à un mouvement matériel open source où les puces sont conçues sur mesure via Internet et imprimées par le consommateur à peu près en même temps qu'il faut pour imprimer une page Web. Vous pourriez, dit Jacobson, télécharger la conception de la puce à partir du Web, lier quelques modifications d'un gars en Inde, et le boom de l'appareil arrive.
C'est l'heure du déjeuner dans le laboratoire de Jacobson, une pièce sans fenêtre avec des enchevêtrements de câbles colorés suspendus aux murs et au plafond et une rangée de hottes chimiques installées le long d'un mur. L'enthousiasme de Jacobson est contagieux, et le laboratoire exigu est évidemment l'endroit où lui et sa poignée d'étudiants passent le plus clair de leur temps, même lorsqu'ils mangent. Ce qui nous intéresse, c'est de me donner un morceau de plastique et dans quelques secondes je te rendrai un Pentium », ou quelque chose de cette complexité, dit-il entre deux bouchées. Je suis sérieux à ce sujet. Pas plus lent qu'un Pentium ; impossible à distinguer d'un Pentium.
Venant de presque n'importe qui d'autre, une telle affirmation serait difficile à avaler. Mais le professeur agrégé de 35 ans a les références pour livrer la marchandise. Après tout, lorsque Jacobson a rejoint le Media Lab en 1996, son ambition immédiate semblait presque aussi farfelue. Je voulais avoir un écran [écran] qui pourrait être imprimé, se souvient Jacobson. Je voulais quelque chose d'incroyablement bon marché, quelque chose qui ressemblerait à de l'encre sur du papier. Quelque chose, en d'autres termes, comme le papier électronique.
Sa solution était un riff sur la recherche menée au Xerox Palo Alto Research Center (PARC) dans les années 1970, où les chercheurs avaient créé des boules microscopiques noires en haut et blanches en bas. Une charge électrique déterminait de quel côté des boules tournaient vers le haut. Avec un câblage intelligent, les boules pourraient être faites pour former des lettres et des mots. Jacobson et une poignée d'étudiants de premier cycle du MIT ont poussé l'idée dans de nouvelles directions. Plutôt que de fabriquer des boules de deux couleurs, ils ont fabriqué des millions de minuscules microcapsules, chacune contenant un mélange liquide d'huile, de colorant noir et de minuscules éclats de pigment blanc. Ils ont ensuite superposé le matériau sur du plastique flexible et l'ont pris en sandwich entre des électrodes transparentes en haut et en bas. Selon la charge appliquée, les éclats blancs migrent vers le haut ou le bas de la sphère, et lorsqu'elles sont activées de concert, les électrodes peuvent forcer l'encre à former des motifs reconnaissables.
Le reste appartient aux légendes des startups. E Ink a été formé en 1997 avec plusieurs étudiants de Jacobson à la barre, et a depuis levé près de 55 millions de dollars de financement privé, concluant des accords avec des entreprises comme Motorola et Hearst Publishing. Les médias et les experts ont proclamé la technologie comme la fin du papier tel que nous le connaissons. Mais ce qui s'est perdu dans tout le buzz autour du papier électronique, c'est que vous avez toujours besoin d'électronique pour piloter les pixels (l'encre) des écrans. Les prototypes construits jusqu'à présent par E Ink continuent de s'appuyer sur des puces de silicium traditionnelles (lire : pas bon marché) pour contrôler l'affichage. Pour tirer pleinement parti de la technologie, vous avez besoin de circuits électroniques flexibles et bon marché. E Ink s'est récemment associé à Lucent Technologies, dont les chercheurs ont travaillé sur des moyens d'imprimer des transistors organiques sur des substrats en plastique flexible. (Les deux sociétés espèrent dévoiler un prototype fonctionnel de la technologie cet automne.)
Jacobson, cependant, a des ambitions encore plus grandes. Non seulement il veut imprimer les circuits électroniques relativement simples nécessaires pour contrôler un écran d'affichage, mais il veut passer à l'étape suivante et trouver un moyen de fabriquer une logique de haute qualité sur l'ordre d'un Pentium en utilisant des méthodes d'impression similaires. Non seulement seriez-vous capable d'imprimer votre écran ; vous pourriez, dans un sens, imprimer le PC lui-même - ou du moins ses circuits essentiels.
Solution inorganique
Fabriquer une puce aussi puissante qu'un Pentium par des moyens traditionnels n'est pas une mince affaire. Alors que les fabricants de semi-conducteurs comme Intel ont appris à fabriquer des transistors de plus en plus petits au cours des dernières décennies, en optimisant considérablement les performances des microprocesseurs, les mécanismes de base de la fabrication des puces n'ont pas beaucoup changé. Le matériau de base reste du silicium, tranché en fines plaquettes. Une couche isolante de dioxyde de silicium va sur le dessus de la plaquette ; une fine couche de résine photosensible (un matériau photosensible) est déposée sur le dioxyde de silicium. Des faisceaux lumineux projettent le motif du circuit sur la résine photosensible à travers un pochoir ; le motif est ensuite gravé par des acides ou des gaz réactifs. Des couches supplémentaires de silicium sont ajoutées, des dopants tels que le bore ou l'arsenic sont ajoutés au mélange, et enfin les transistors sont reliés au moyen de minuscules fils d'aluminium.
Les puces qui en résultent sont une merveille d'ingénierie et sont en grande partie responsables d'alimenter la révolution de l'information. En utilisant des usines de fabrication de plusieurs milliards de dollars, Intel et d'autres peuvent désormais fabriquer des transistors aussi petits que quelques centaines de nanomètres de diamètre (un nanomètre est un milliardième de mètre), en regroupant des dizaines de millions d'entre eux sur une seule puce. L'inconvénient est que les centaines d'étapes de fabrication prennent plus de deux semaines et nécessitent des salles blanches des centaines ou des milliers de fois plus impeccables que votre laboratoire moyen.
L'automne dernier, Jacobson et son étudiant Brent Ridley ont décrit dans la revue Science les premiers transistors inorganiques imprimés. Plusieurs autres groupes de recherche, notamment aux Bell Labs de Lucent et à l'Université de Cambridge en Grande-Bretagne, ont également imprimé des transistors. Ces groupes, cependant, utilisent des polymères organiques; de tels matériaux pourraient être très prometteurs dans l'électronique requise pour fabriquer des écrans flexibles et bon marché. Mais les transistors organiques semblent être intrinsèquement limités en termes de vitesse de calcul. La grande percée de Jacobson est que lui et ses collègues du Media Lab ont créé des suspensions liquides de semi-conducteurs inorganiques - la même classe de matériaux que celle utilisée dans votre puce Pentium - afin qu'ils puissent être utilisés dans un processus d'impression. En d'autres termes, plutôt que de graver la logique dans un morceau de silicium solide, Jacobson l'imprime simplement sur un substrat.
L'optimisme de Jacobson est justifié par les progrès rapides de son groupe dans la synthèse d'encre semi-conductrice. Dans des conditions normales, les matériaux semi-conducteurs tels que le silicium, le séléniure de cadmium et l'arséniure de gallium forment des cristaux en vrac avec des points de fusion bien supérieurs à 1 000 °C. Jacobson et son équipe ont cependant trouvé un moyen de synthétiser une solution de minuscules nanocristaux de 100 atomes ou moins. Cette encre semi-conductrice peut être modelée ou imprimée sur une variété de substrats, y compris de fines feuilles de plastique, à des températures inférieures à 300 °C. Les particules, note Jacobson, sont suffisamment petites pour former des structures de 200 nanomètres, à l'échelle de circuits intégrés complexes comme La puce Pentium d'Intel.
La suspension de nanoparticules est si similaire aux encres conventionnelles que Jacobson et ses collègues sont capables d'utiliser une imprimante à jet d'encre fabriquée par Hitachi pour fabriquer de minuscules machines appelées MEMS, ou systèmes microélectromécaniques. Les MEMS, qui sont l'un des nouveaux domaines à la croissance la plus rapide dans la technologie des matériaux ( voir Que la Micro Force soit avec vous , TR septembre/octobre 1999 ), sont généralement fabriqués à l'aide de plusieurs des mêmes techniques ardues que celles utilisées pour fabriquer des micropuces de silicium conventionnelles. À l'aide de l'imprimante à jet d'encre, Jacobson et ses étudiants ont réussi à fabriquer à la fois un actionneur thermique fonctionnel et un moteur à entraînement linéaire avec des caractéristiques de l'ordre de 100 micromètres en déposant simplement des centaines de couches d'encre. Et ils sont capables de former les minuscules machines sans salle blanche et à des températures bien inférieures à 300 C.
Le groupe a également utilisé l'imprimante à jet d'encre pour produire des étiquettes d'identification par radiofréquence beaucoup plus intelligentes. D'autres travaillent également sur de telles balises mais s'appuient sur une logique utilisant des transistors organiques. Jacobson pense que la logique plus rapide possible avec les substances inorganiques peut rendre sa version des étiquettes beaucoup plus intelligente, permettant aux entreprises de tout suivre, des marchandises chères aux emballages dans un supermarché. Un détecteur de signaux radio pourrait lire les appareils, les mettre à jour et les intégrer dans des systèmes d'inventaire. Une personne pourrait entrer dans un supermarché, ramasser des articles et sortir, et l'argent serait automatiquement comptabilisé et déduit de son compte bancaire et du système d'inventaire du supermarché.
L'utilisation de circuits imprimés comme celui-ci n'est que le début. Parce que la logique informatique est imprimée, elle peut être placée à la surface de presque n'importe quoi : étiquettes de boîtes de soupe, textiles, canettes de soda. Vous pouvez ajouter de l'intelligence à presque tout ce que vous voulez, affirme Colin Bulthaup, l'un des étudiants de Jacobson. Une chose que nous voulons faire est de construire un appareil photo numérique dans une carte de visite : tout est intégré dans la carte elle-même. Il n'y a aucune raison d'avoir toutes ces puces de silicium maladroites. Vous pouvez modéliser votre semi-conducteur, votre photodétecteur - tous les matériaux ensemble - et les intégrer dans un seul appareil, incroyablement petit, incroyablement bon marché et incroyablement rapide à produire.
Cependant, la fabrication de tels dispositifs à l'aide d'une imprimante à jet d'encre est encore loin de l'impression de circuits logiques de haute qualité. Cela nécessite de fabriquer des transistors et autres composants électroniques à l'échelle de quelques centaines de nanomètres, le niveau de précision d'une puce Pentium. Pour cela, Jacobson a utilisé des tampons en polymère qui ne sont pas si différents des tampons utilisés pour certifier les documents. Dans une version, le tampon présente l'architecture du circuit en relief positif et est trempé dans l'encre nanoparticulaire ; les circuits sont ensuite transférés à la main sur un substrat. Un tampon négatif qui gaufre une fine couche d'encre préalablement déposée sur une surface en plastique est également prometteur. Les caractéristiques du tampon repoussent l'encre à certains endroits, formant n'importe quelle caractéristique gravée sur le tampon à des résolutions de 200 nanomètres.
Défi Pentium
Tout cela est une vision puissante et attrayante. Mais l'électronique imprimée peut-elle réellement rivaliser avec les usines de plusieurs milliards de dollars pour fabriquer les circuits exigeants nécessaires à une logique de haute qualité ? Sigurd Wagner, pour sa part, ne le pense pas. Professeur de génie électrique à l'Université de Princeton, Wagner poursuit également des recherches sur la logique inorganique imprimée, mais il voit sa promesse dans une électronique bon marché pouvant être utilisée sur de grandes surfaces, et non dans l'utilisation de microprocesseurs de haute qualité.
Son objectif, dit Wagner, n'est pas en concurrence avec la technologie des circuits intégrés ; c'est aller dans un domaine que les circuits intégrés traditionnels ne peuvent pas gérer. Les applications attrayantes incluent le papier peint qui agit comme un écran d'affichage géant, l'électronique tissée dans des textiles, même une peau électronique recouvrant un avion capable de réagir mécaniquement aux conditions changeantes.
Jacobson convient que le gain à court terme viendra en produisant l'électronique bon marché et flexible qui pourrait rendre de telles applications possibles. Il existe un grand nombre d'applications pour une logique jetable à faible consommation incroyablement peu coûteuse sur des substrats en plastique, dit-il. Et pour l'instant, les circuits imprimés de Jacobson sont mieux adaptés à ces usages. D'une part, ils sont encore beaucoup trop lents pour les applications logiques avancées ; alors que les transistors inorganiques de Jacobson sont d'un ordre de grandeur plus rapides que les transistors organiques imprimés fabriqués par Lucent et d'autres groupes de recherche, ils sont toujours 100 fois plus lents que les meilleurs transistors inorganiques fabriqués à partir de techniques conventionnelles.
Mais fabriquer les puces de type Pentium de demain sur une usine de bureau reste le scintillement dans l'œil de Jacobson. Cela nécessitera d'augmenter la vitesse de la logique inorganique imprimée. C'est probablement un projet de recherche de plusieurs années, dit-il, mais nous pensons que c'est faisable.
C'est exactement le type de défi et de projet extrêmement ambitieux que Jacobson apprécie. C'est le type de projet qui vous fait repenser les possibilités d'un objet très familier. Avec E Ink, il donne une nouvelle tournure à une très vieille invention : la page imprimée. Plutôt que de jeter le journal, Jacobson veut préserver ses vertus tout en le mettant à jour pour l'ère de l'information. Et maintenant, il repense la fabrication des circuits intégrés. Si Jacobson peut rendre ses visions des circuits imprimés pratiques, il pourrait changer le sens du matériel et remplacer la fabrique de semi-conducteurs de plusieurs milliards de dollars par quelque chose de pas si différent des timbres qui existent depuis des milliers d'années.
Alors que le reste de l'industrie informatique tente de faire baisser les prix du matériel en produisant en série quelques puces standardisées, Jacobson va dans la direction opposée, essayant de faire de chaque personne le maître et le fabricant de sa propre logique.