Suivre le rythme de la loi de Moore avec des substrats actifs et l’informatique neuromorphique

De nouveaux semi-conducteurs sont nécessaires

L’industrie des semi-conducteurs a constamment grandi en importance au cours des dernières décennies, passant des ordinateurs industriels aux ordinateurs de bureau pour devenir une partie essentielle de pratiquement chaque machine et appareil aujourd’hui.

Cette croissance a été alimentée par la complexité et la miniaturisation croissantes des semi-conducteurs. Cependant, en raison des propriétés physiques fondamentales du silicium, les semi-conducteurs à base de silicium commencent à atteindre certaines limites.

Heureusement, le silicium est loin d’être le seul matériau affichant des propriétés de semi-conducteur, c’est-à-dire la capacité de basculer d’un état où il fonctionne comme un isolant (ne laissant pas passer l’électricité) à un état de conducteur (laissant passer l’électricité).

De nouvelles recherches révèlent de nouvelles perspectives sur la physique fondamentale de matériaux de semi-conducteurs innovants comme le dioxyde de vanadium et les propriétés de semi-conducteur insoupçonnées du dioxyde de titane.

La recherche a été menée par un effort de recherche pluridisciplinaire mené par des chercheurs de l’Université d’État de Pennsylvanie, de l’Université Cornell, du Laboratoire national d’Argonne, de l’Institut de technologie de Géorgie et de l’Institut Paul Drude de l’électronique de l’état solide de Berlin, en Allemagne.

Vanadium & la loi de Moore

Ce qui fait du dioxyde de vanadium un candidat de premier plan pour la nouvelle technologie de semi-conducteurs, c’est la capacité du vanadium à basculer entre le métal — l’état “1” — et l’isolant — l’état “0” — en seulement une trillionième de seconde.

Il s’agit d’un phénomène connu sous le nom de « transition métal-isolant ». La vitesse de la transition métal-isolant devrait permettre des électroniques plus rapides et plus petites par rapport aux électroniques classiques à base de silicium.

C’est essentiel si nous voulons voir l’industrie des semi-conducteurs suivre la loi de Moore.

Formulée en 1965, la loi de Moore est la loi empirique selon laquelle l’industrie des semi-conducteurs augmente le nombre de transistors sur une puce de 100 % tous les deux ans. Cela est resté vrai pendant des décennies, mais les limites fondamentales des puces de silicium signifient que de nouveaux types de matériaux seront bientôt nécessaires pour la maintenir.

La loi de Moore est une application à l’industrie des semi-conducteurs de la loi de Wright de 1936, qui stipule que les coûts de fabrication diminueront de 15 % pour chaque doublement de la production (initialement développée pour l’industrie aéronautique).

La loi de Wright est plus une règle concernant l’économie d’échelle et l’efficacité industrielle lors de l’augmentation de la production. Pendant ce temps, la loi de Moore est plus axée sur l’innovation technologique et est alimentée par les progrès de la compréhension de la physique fondamentale et de l’ingénierie à l’échelle nanométrique.

Nouvelles perspectives

Méthodes avancées

Jusqu’à présent, le dioxyde de vanadium n’a été analysé et observé qu’en tant que composant isolé. Bien que cela soit utile, cela a limité la compréhension de ce qui se passerait réellement dans un semi-conducteur basé sur le dioxyde de vanadium.

Dans leur publication dans Advanced Materials (“Imagerie spatiotemporelle en cours d’opération des élastodynamiques film-substrat couplées pendant une transition isolant-métal“), les chercheurs ont fait plusieurs nouvelles découvertes.

Ils ont utilisé la microscopie à diffraction des rayons X pour observer les changements en temps réel et avec précision à l’échelle atomique.

Et ils ont appliqué le dioxyde de vanadium sur un substrat de dioxyde de titane, comme cela serait le cas dans une vraie puce de semi-conducteur, au lieu de l’étudier en isolation.

Source: Advanced Materials

Cela a été une entreprise massive, avec l’étude elle-même prenant plus de 10 ans et impliquant de nombreuses équipes de recherche et une approche pluridisciplinaire.

« En rassemblant ces experts et en partageant notre compréhension du problème, nous avons pu aller bien au-delà de notre champ d’expertise individuel et découvrir quelque chose de nouveau. » – Roman Engel-Herbert, Directeur de l’Institut Paul Drude de l’électronique de l’état solide de Berlin

Mouvements de vanadium

Les chercheurs ont observé pour la première fois que le dioxyde de vanadium se gonflait vers le haut lorsqu’il changeait en métal. Cela allait à l’encontre des prédictions théoriques qui supposaient qu’il allait se contracter.

Source: Advanced Materials

Ils ont découvert qu’un effet insoupçonné provenant d’atomes d’oxygène manquants était responsable du gonflement du matériau.

« Ces lacunes d’oxygène neutres portent une charge de deux électrons, qu’ils peuvent libérer lorsque le matériau passe d’un isolant à un métal. La lacune d’oxygène laissée derrière est maintenant chargée et se gonfle, conduisant au gonflement surprenant observé dans l’appareil. »

Pr. Venkatraman Gopalan, Université d’État de Pennsylvanie

Activité inattendue du substrat de titane

Un quasi-dogme dans la fabrication de semi-conducteurs est que seule la fine couche de matériau semi-conducteur sur le substrat est active lorsqu’elle est soumise à un courant. Le substrat lui-même est un matériau électriquement et mécaniquement passif.

Dans cette étude, les chercheurs ont découvert que ce n’est pas le cas pour les semi-conducteurs au dioxyde de vanadium.

Au lieu de cela, le dioxyde de titane précédemment considéré comme inerte se gonfle également, du même mécanisme impliquant des atomes d’oxygène manquants.

En outre, la couche supérieure du dioxyde de titane s’est comportée comme du dioxyde de vanadium, agissant également comme un semi-conducteur.

Cette nouvelle découverte sera cruciale pour la construction de prototypes de semi-conducteurs au dioxyde de vanadium commerciaux.

Applications

Des semi-conducteurs plus rapides et meilleurs

Le dioxyde de vanadium est considéré comme un matériau très prometteur pour amener la technologie des semi-conducteurs au niveau suivant, en raison de quelques caractéristiques fondamentales :

• La transition isolant-métal (IMT) se produit à une vitesse extrême d’une trillionième de seconde, ouvrant la voie à des calculs ultra-rapides.
• Le dioxyde de vanadium présente des effets électroniques fortement corrélés. En termes simples, cela signifie que la répulsion entre les électrons ne peut pas être ignorée, comme c’est actuellement le cas dans les électroniques à base de silicium.
  • Cela, à son tour, ouvre les possibilités de nouvelles fonctionnalités telles que la supraconductivité à haute température et des propriétés magnétiques améliorées.

Informatique neuromorphique

La découverte du processus de rétroaction positive dû à l’ionisation des lacunes par les atomes d’oxygène manquants devrait réduire encore le temps de transition IMT.

Cela a des conséquences très importantes, car cela rend le dioxyde de vanadium potentiellement capable d’être le bon matériau pour un nouveau type de calcul appelé informatique neuromorphique.

L’informatique neuromorphique est une méthode où les systèmes informatiques s’inspirent des cerveaux des systèmes vivants avec des neurones.

Cela diffère des réseaux de neurones actuellement utilisés par l’IA et les LLM qui tentent d’imiter les neurones, mais s’appuient toujours sur des transistors classiques en silicium et sont principalement basés sur l’apprentissage automatique logiciel.

Ainsi, les puces neuromorphiques pourraient apprendre au niveau du matériel. Et au lieu d’une sortie binaire (0 et 1), elles produiraient des signaux de pointe.

Source: Tech Target

Grâce à sa transition métal-isolant très rapide, le dioxyde de vanadium avec un substrat actif de dioxyde de titane pourrait être utilisé pour créer oscillateurs de pointe similaires à des neurones de Mott capables de reproduire au niveau du matériel les neurones biologiques.

Aperçu

Les semi-conducteurs au dioxyde de vanadium, l’informatique neuromorphique et les oscillateurs de pointe similaires à des neurones de Mott sont à la pointe de la science des matériaux et de la conception de semi-conducteurs, probablement d’au moins une décennie avant d’atteindre la viabilité commerciale.

Cette décennie est exactement le moment où nous devrions nous attendre à ce que les semi-conducteurs à base de silicium commencent à échouer pour maintenir la loi de Moore.

Il n’y a rien dans la loi de Moore qui dise que les semi-conducteurs doivent être à base de silicium. Il s’agit plutôt d’une observation empirique selon laquelle tant qu’il y a une demande pour des puces plus puissantes, les chercheurs continuent à apprendre davantage sur la physique des semi-conducteurs à une échelle de plus en plus petite.

Compte tenu du fait que nous étudions maintenant le vanadium et les dioxydes de titane, en temps réel et à l’échelle atomique, il semble raisonnable de s’attendre à ce que la loi de Moore se maintienne et que des matériaux comme le vanadium soient l’étape suivante dans la conception de semi-conducteurs.

Et bien sûr, d’autres moyens innovants de calcul pourraient également aider à maintenir la loi de Moore sur la bonne voie, comme la photonique ou l’informatique quantique.

Sociétés de semi-conducteurs avancés

1. Intel

Intel est un géant dans le secteur des semi-conducteurs et a évolué au fil des ans d’un fondateur de l’industrie à un leader scientifique et d’innovation, perdant la place de leader de la production à des sociétés comme TSMC de Taïwan.

Intel est un leader dans l’informatique neuromorphique, notamment grâce à sa puce Loihi 2.

Source: Intel

Il a également créé la communauté de recherche neuromorphique d’Intel, qui comprend l’Université d’État de Pennsylvanie, impliquée dans cette récente recherche sur le dioxyde de vanadium, ainsi que 75+ autres groupes de recherche.

Source: Intel

Intel est également très actif dans la reproduction des sens biologiques en reproduisant la façon dont notre cerveau fonctionne (lui-même une branche de l’informatique neuromorphique), quelque chose que nous avons discuté plus en détail dans notre article « Puces olfactives biomimétiques : l’intelligence artificielle et les « e-nez » sont-ils le prochain canari dans la mine de charbon ? »

Dans l’ensemble, la recherche d’Intel Lab est à la pointe de l’innovation dans les semi-conducteurs, notamment l’IA, l’informatique quantique, l’informatique neuromorphique, etc. (nous discutons des progrès d’Intel en informatique quantique dans notre article « L’état actuel de l’informatique quantique »).

2. IBM

Un autre pionnier historique de l’informatique, des semi-conducteurs et de la conception de puces, International Business Machines Corporation (IBM) investit également dans l’informatique neuromorphique.

Il développe également SyNAPSE : un calcul neurosynaptique évolutif et économe en énergie, soutenu par le Defense Advanced Research Programs Agency (DARPA), pour combiner « la nanoscience, les neurosciences et la superinformatique pour simuler et émuler les capacités du cerveau pour la sensation, la perception, l’action, l’interaction et la cognition ».

Il est également à la pointe du développement de l’ordinateur quantique. Par exemple, il a développé son ordinateur quantique « Eagle » à 127 qubits, suivi d’un système à 433 qubits appelé « Osprey » et d’un processeur quantique à 1 121 qubits supraconducteurs appelé « Condor ».

Source: All About Circuits

Avec Intel, IBM est parmi les sociétés qui poussent le plus activement vers de nouvelles formes de technologies de calcul, comme l’informatique quantique et l’informatique neuromorphique, et devrait probablement bénéficier des progrès réalisés dans la compréhension de la physique atomique fondamentale de matériaux comme le dioxyde de vanadium.