12/05/2008

Bilan sur la nanotechnologie

Bilan sur la nanotechnologie

C’est grace à la nanoscience qui m’anipule des transistors d’une taille de l’ordre du nanomètre que les processeurs qui se retrouvent actuellement dans nos machines ont atteint des puissances de calcul phénoménables. Il faut revenir en 1965 ou pour la première fois sans le savoir une course à la miniaturalisation va débuter et se déclencher réellement en 1975 afin de prendre son élan par le biais du célèbre Américain Gordon Moore, confondateur de la société Intel, la loi qui porte toujours son nom actuellement (la loi de Moore). Ses exigences vont  imposer à toute l’industrie informatique telle un métronome que tous les deux ans, le nombre de composants sur une puce électronique doit doublé. Une course à la miniaturalisation va alors s’enclancher qui donne le vertige : 6 micromètres en 1974, 1 micromètre en 1989, 130 nanomètres en 2001, 65 nanomètres en 2006 et nous venons d’atteindre 42 nanomètres en 2007 en défiant la loi de la physique, grâce à un tout nouveau métal l’Hafnium dont je vais vous parler un peu plus loin. Imaginez un peu, quand le premier processeur 4004 de 1971 intégrait 2300 transistors, le nouveau Quad Core en contient 800 millions.

Nous avons frôlé le blocage à partir du 65 nanomètres, en butant sur les lois de la physique quantique (la physique quantique est l’appellation générale d’un ensemble de théories physiques nées au XX siècle), à tel point que la miniaturalisation étourdissante des microprocesseurs à bien failli être stoppée brutalement en même temps que la loi de Moore. Sauvé in extremis grâce à un matériaux exotique et méconnu, l’Oxide d’Hafnium (voir les photos ci-dessous). Definition de l’HAFNIUM : élément de numéro atomique 72, métal brillant argenté est assez courant sur terre. On l’extrait des mines de Nanibie, du Malawi, de Mozanbique ou d’Australie. Sons prix se place entre 170 à 200 euros/kg, Il est très apprécié dans les centrales nucléaires pour sa capacité à absorber les neutrons (utilisé dans les barres de modération de réacteur nucléaire) . Du haut de son symbole Hf, l’hafnium va permettre de repousser les limites physique essentiel dans la fabrication des microprocesseurs, les fuites de courant et permettre de continuer comme on va le voir un peu plus loin la miniaturalisation des transistors.

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Depuis dix ans, les chercheurs étudient un candidat pour remplacer l’oxide de silicium. Les métaux potentiellement candidat seront décortiqués sans le moindre ménagement, les principaux participants,  l’oxides d’yttrium, de lanthane, de strontium, de baryum, de zirconium, d’hafnium… De ces candidats un seul va se démarquer du lot, c’est l’hafnium qui va gagner ses lettres de noblesse Hf et grâce a lui les laboratoires d’Intel ont pu présenter en octobre dernier un microprocesseur de nouvelle génération baptisé du nom de code Penryn (voir les photos ci-dessous), dont les transistors battent un nouveau record de miniaturalisation : 45 nanomètres.

La loi de Moore vient d’être une fois de plus repoussée et sauvée, mais pourquoi les fondeurs butent sur ce phénomène physique de la miniaturalisation ? c’est les fuites l’obstable à vaincre, on s’en doute, il ne s’agit pas de fuite d’eau, mais de courant électrique, plus exactement d’électrons. A partir de 2001, les dimensions de certaines parties du transistors ont atteint des proportions ultimes, celle de l’atome. Ainsi l’épaisseur de l’isolant de grille de transistor qui se compose d’une couche de matériau au dessus du composant qui sert à contrôler son ouverture et sa fermeture est descendue à 2,5 nanomètres, ce qui correspond à seulement huit couches atomiques. Plus on diminue la taille des transistors et plus on peut en placer et plus il y a un risque de fuites d’électrons.

A l’origine des ces fuites, l’isolant de grille de transistors qui n’est plus assez efficace. Sans trop rentrer dans les détails techniques, plus le transistor est réduit, les électrons au lieu de rester sagement à leur place dans le canal, passage qu’ils empruntent normalement, vont traverser l’isolant de grille par effet que l’on nomme effet de tunnel(1). Conséquence : Un courant de fuite se forme qui suffit pour provoquer une rupture de charge. Et le pire ce phenomène augmente de manière exponentielle lorsque que l’on diminue l’épaisseur de cette grille. La question qui se pose : Comment faire pour continuer à diminuer la taille des transistors sans les transformer en radiateurs gourmands en électricité sachant que en dessous de 65 nanomètres, l’oxide de silicium ne jout plus son rôle d’isolant et provoquera inévitablement des fuites d’électrons. La réponse à cette question l’hafnium.

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Pour l’annecdote, lors des essais concernant les recherches en laboratoire, avant de trouver les propriétés indéniables de l’hafnium, Simon Deleonibus (voir le photo ci-dessous) un des chercheurs précise que la situation était devenu intenable : Les conditions étaient extrêmes, il est arrivée un moment pendant les tests ou les transistors consommaient autant lorsqu’il étaient bloqués, c'est-à-dire que lorsqu’ils étaient actifs. Il aurait fallu des centrales nucléaires pour alimenter les ordinateurs même au repos, sans oublier l’azote liquide pour les refroidir. Car il faut garder à l’esprit que ce courant de fuite se dissipe ensuite par effets de joule (l’effet de joule est le dégagement de chaleur qui accompagne le passage du courant dans tout conducteur OHMIQUE(2) ) , autrement dit, en chauffant, ce qui corse encore un peu plus le problème de refroidissement.

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EFFTET DE TUNNEL(1) = Effet autorisé par la mecanique quantique qui permet à un électron de passer la barrière d’énergie infranchissable selon la physique classique, comme si une bille lancée à l’assault d’un obtacle réussissait à le traverser au lieu de passer par-dessus.

CONDUCTEUR OHMIQUE(2) = Tout dipôle, ou plus généralement tout conducteur dont la caractéristique est une droite passant par l'origine est un conducteur ohmique.

Intel prévoit déjà la sortie d’un microprocesseur de 32 nm en 2009, un microprocesseur de 22 nanomètres en 2011 et par un communiqué de la firme lancé la semaine dernière, elle annonce un processeur de 10 nm, oui vous avez bien lu aux alentours de 2020. Il va falloir de nouveau trouver un nouveau matériau autre que l’hafnium qui aura surement atteint ses limites. A cette occasion Philippe Laporte chargé de mission des nanotechnologies au CEA a été intérrogé sur trois points voici ses réponses à ces trois questions  :

 

1)    Après l’oxyde d’hafnium, quels matériaux viendront au secours de la loi de Moore ?

Nous arrivons aux limites de la matière et des matériaux « conventionnels ». Après l’oxide de silicium, c’est au silicium qui forme le transistor qu’il faudra remplacer. On pense aux nanotubes de carbone et au graphène (qui est du carbone pur sous forme de feuille), car ils présentent de meilleures propriétés de conduction : ils formeraient donc des canaux plus rapides.

2)    La miniaturalisation va-t’elle atteindre ses limites ?

Jusque-là, l’augmentation de la puissance de traitement des ordinateurs à suivi la logique de la loi de Moore : faire toujours plus petit pour mettre plus de composants sur une puce. On essaie de repousser les limites avec beaucoup de difficultés. Mais le transistor tel que nous le connaissons est en sursis.

3)    Comment les ordinateurs pourront-ils encore gnagner en rapidité ?

Il faudra raisonner sur l’optimisation des logiciels et l’architecture du système tout entier. Pourquoi en effet traiter l’ensemble des informations en un seul endroit, l’unité centrale d’un ordinateur ? Déjà les cartes vidéo possèdent leur propre processeur.

Voici trois interrogations des plus pertinentes qui va peut être pas vous laisser indifférent ou indifférrente.

Pour conclure cette analyse, il faut retenir comme définition de la nanotechnologie qu’elle est l’ensemble des études et des procédés de fabrication et de manipulation des structures et de systèmes matériels à l’échelle du nanomètre représenté par le symbole nm. La nanotechnologie est  l’objet de l’étude de la nanoscience qui regroupe les phénomènes de manipulation de la matière aux échelles atomique, moléculaire et macromoléculaire. La caractérisation, la production et la l’application de ces structures utilisent le dispositif et système de contrôle de la forme et la taille à une échelle nanométrique. Les principaux champs scientifiques concernés par les nanosciences sont :

1)       Les biosciences et pharma : autour de la biologie, des laboratoires pharmaceutiques et des biotechnologies. Ce champ peut être qualifié comme celui de la nanobiologie.

2)       Les nanomatériaux et synthèse chimique : autour de la chimie et des nanomatériaux. Ce champ peut être qualifié comme celui des nanomatériaux.

3)       La super conductivité et ordinateur quantique : essentiellement issue de la microélectronique, ce champ peut être qualifié comme celui de la nanoélectronique.

Pour les processeurs on retiendra le champ scientifique concerné n°3. A retenir également que les deux majeures difficultés qui prédominent dans la construction des circuits électroniques à base de nanotechnologie dans le monde de l’informatique sont :

À l’échelle du nanomètre, tout objet n’est qu’un assemblage des mêmes briques élémentaires : les atomes. À cette échelle du millionième de millimètre, les propriétés physiques, mécaniques, thermiques, électriques, magnétiques et optiques dépendent directement de la taille des structures et peuvent différer fondamentalement de celles du matériau au niveau macroscopique tel qu’on l'exploitait jusqu’à présent. Cela est dû à un ensemble de raisons qui incluent le comportement quantique mais également l’importance croissante des phénomènes d'interface.

On est à ce jour incapable de maîtriser l’assemblage coordonné d’un très grand nombre de ces dispositifs de commutation par exemple le transistor à nanotubes de carbone CNFET (Carbon Nanotube Field Effect Transistor) ou encore (circuits électroniques mono-moléculaires hybrides) sur un circuit et encore moins de réaliser cela sur un plan industriel, (voir ci-dessous l’animation représentant un nanotube de carbone).

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Pour refermer ce dossier le fondeur INTEL vient de présenter cette semaine au salon de l'IDF (Intel Developer Forum) ses futures technologie à venir concernant l'utilisation de la nanotechnologie dans ses futur microprocesseurs et sa tombe à pic. Cliquez sur ce lien pour lire cet article rédigé par le site Clubic : http://www.clubic.com/actualite-157138-idf-2008-2050-mach...

16:31 Écrit par CPU History-fr dans Informatique | Lien permanent | Commentaires (0) |  Facebook |

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