Le graphène aide les fils de cuivre à garder leur fraîcheur

Lorsque les gens de l'industrie des puces parlent des problèmes thermiques des processeurs informatiques, ils deviennent dramatiques. En 2001, Pat Gelsinger, alors vice-président d'Intel, notait que si les températures produites par les dernières puces continuaient d'augmenter sur leur trajectoire actuelle, elles dépasseraient la chaleur d'un réacteur nucléaire d'ici 2005, et la surface du soleil d'ici 2015. Heureusement, une telle catastrophe thermique a été évitée en ralentissant les vitesses de commutation des microprocesseurs et en adoptant des conceptions de puces multicœurs dans lesquelles plusieurs processeurs fonctionnent en parallèle.

Rafraîchir: Un gros plan montre du cuivre avant l'ajout de graphène (en haut) et après (en bas).

L'industrie des semi-conducteurs a maintenant un autre problème thermique à régler. À mesure que les composants de la puce rétrécissent, le câblage en cuivre qui les relie doit également rétrécir. Et à mesure que ces fils s'amincissent, ils chauffent énormément.

Une solution potentielle à cette fièvre d'interconnexion a été trouvée sous la forme de graphène, un matériau exotique fabriqué à partir de feuilles de carbone d'un seul atome d'épaisseur qui est un conducteur superlatif d'électrons et de chaleur.

Les scientifiques des matériaux utilisent déjà le cuivre comme catalyseur pour faire pousser du graphène à d'autres fins. Alors Alexandre Balandine de l'Université de Californie, Riverside, et Kostia Novoselov , physicien à l'Université de Manchester, Royaume-Uni, qui a remporté le Prix ​​Nobel de physique 2010 pour son travail fondamental avec le graphène (voir Le graphène remporte le prix Nobel), a décidé de laisser le graphène sur le cuivre pour voir comment il affectait les propriétés thermiques du métal. Dans un article publié dans la revue Lettres nano , ils rapportent qu'un sandwich composé de graphène des deux côtés d'une feuille de cuivre améliore la capacité du cuivre à dissiper la chaleur de 25 %, un chiffre significatif pour les concepteurs de puces.

Balandin dit que le graphène lui-même ne semble pas évacuer la chaleur. Au contraire, il modifie la structure du cuivre, améliorant les propriétés conductrices du métal. La chaleur se déplaçant à travers le cuivre est généralement ralentie par la structure cristalline du métal. Le graphène modifie cette structure, provoquant l'éloignement de ces murs et permettant à la chaleur de circuler plus facilement, explique Balandin.

Des études ont été réalisées avec des feuilles de cuivre relativement épaisses, beaucoup plus grosses que les fils de cuivre trouvés dans les puces informatiques, mais Balandin s'attend à ce que l'effet de conduction thermique soit également observé dans les fils de cuivre plus minces. Il travaille maintenant sur des fils de cuivre-graphène aussi petits que ceux utilisés dans les puces informatiques commerciales.

Le problème est urgent. Cette année, Intel devrait annoncer des produits contenant des transistors de 14 nanomètres, avec des interconnexions en cuivre à cette échelle ou même plus petites. Les fils de cuivre ne fonctionneront pas en dessous de 10 nanomètres, et on ne sait pas ce qui fonctionnera. Nous n'avons pas encore trouvé de matériau d'interconnexion capable de fonctionner au-delà de 10 nanomètres, en partie à cause d'une surchauffe, explique Saroj Nayak , physicien au Center for Integrated Electronics du Rensselaer Polytechnic Institute à Troy, New York.

Majeed Foad, ingénieur électricien à Matériaux appliqués , un fabricant d'équipements semi-conducteurs basé à Santa Clara, en Californie, qui aide l'entreprise à suivre la recherche sur de nouveaux matériaux, déclare que les propriétés du graphène sont passionnantes, mais ajoute qu'à mesure que les composants des puces sont miniaturisés, ils deviennent plus sensibles aux températures élevées. Il faut beaucoup de chaleur pour fabriquer du graphène de bonne qualité : Balandin et Novoselov ont chauffé leurs fils à plus de 1 000 °C. Foad dit que de telles températures dégraderaient les transistors et autres composants de la puce. Balandin, cependant, souligne les expériences de laboratoire qui démontrent que le graphène peut être cultivé à des températures plus basses, du moins dans le cadre de la recherche.

Quoi qu'il en soit, dit Foad, les fabricants de puces ne seront pas pressés d'adopter le graphène. Changer de matériau est très douloureux, nous allons donc tirer la moindre goutte de performance de ce que nous avons, dit-il.

Il est clair que simplement entasser plus de transistors dans des processeurs et mettre plus de processeurs dans des puces ne sera pas tenable plus longtemps. Les puces haut de gamme contiennent déjà environ 50 à 60 kilomètres de câblage en cuivre et plusieurs cœurs.

Jonathan Candelaria , directeur de la recherche sur les interconnexions à la Semiconductor Research Corporation, un consortium industriel de Durham, en Caroline du Nord, affirme que l'ajout de transistors n'améliore pas les performances comme avant. La solution peut encore s'avérer être l'adoption d'architectures fondamentalement différentes. De nouvelles façons de concevoir et d'emballer les puces pourraient aider à résoudre le problème de la chaleur, dit Candelaria, et cela donnera à l'industrie le temps de résoudre les problèmes avec de nouveaux matériaux, y compris peut-être les nouveaux hybrides graphène-cuivre.

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