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

Nouveaux semi-conducteurs nécessaires

L’industrie des semi-conducteurs a constamment gagné en importance au cours des dernières décennies, passant des ordinateurs centraux industriels à une partie essentielle de pratiquement chaque machine et dispositif aujourd’hui.

Cette croissance a été alimentée par la complexité croissante et la miniaturisation 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 n’est de loin pas le seul matériau affichant des propriétés semi-conductrices, c’est‑à‑dire la capacité de passer d’un état isolant (ne laissant pas passer le courant) à un état conducteur (laissant passer le courant).

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

La recherche a été menée par un effort multidisciplinaire réalisé par des chercheurs de la Pennsylvania State University, de l’Université Cornell, du Argonne National Laboratory, du Georgia Institute of Technology et de l’Institut Paul Drude d’électronique des solides en Allemagne, à Berlin.

Vanadium et loi de Moore

Ce qui fait du dioxyde de vanadium un candidat de premier plan pour les nouvelles technologies semi-conductrices, c’est sa capacité à basculer entre le métal — l’état « 1 » — et l’isolant — l’état « 0 » — en seulement un billionième de seconde.

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

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

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

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 diminuent jusqu’à 15 % à chaque doublement de la production (initialement développée pour l’industrie aéronautique).

La loi de Wright porte davantage sur l’économie d’échelle et l’efficacité industrielle lors de l’augmentation de la production. En revanche, la loi de Moore concerne davantage l’innovation technologique et est alimentée par les progrès dans 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 que comme composant isolé. Bien que cela soit utile, cela limitait la compréhension de ce qui se passerait réellement dans un semi-conducteur reposant sur le dioxyde de vanadium.

Dans leur publication dans Advanced Materials (In‑Operando Spatiotemporal Imaging of Coupled Film‑Substrate Elastodynamics During an Insulator‑to‑Metal Transition), les chercheurs ont fait plusieurs nouvelles découvertes.

Ils ont utilisé la microscopie de diffraction des rayons X pour observer les changements en temps réel et avec précision au niveau atomique.

Et ils ont appliqué le dioxyde de vanadium sur un substrat de dioxyde de titane, comme cela se ferait dans une vraie puce semi-conductrice, au lieu de l’étudier en isolement.

Source: Advanced Materials

Cela a été une entreprise massive, l’étude elle‑même ayant duré plus de 10 ans et impliqué de nombreuses équipes de recherche ainsi qu’une approche multidisciplinaire.

« En réunissant ces experts et en mutualisant 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 d’électronique des solides à Berlin

Mouvements du vanadium

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

Source: Advanced Materials

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

« Ces lacunes d’oxygène neutres portent une charge de deux électrons, qu’elles peuvent libérer lorsque le matériau passe d’un isolant à un métal. La lacune d’oxygène qui reste est alors chargée et se gonfle, conduisant au gonflement surprenant observé dans le dispositif. »

Pr. Venkatraman Gopalan, Pennsylvania State University

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 déposée sur le substrat est active lorsqu’elle est soumise à un courant. Le substrat lui‑même serait un matériau électriquement et mécaniquement passif.

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

Au contraire, le dioxyde de titane, auparavant considéré comme inerte, gonfle également, à cause du même mécanisme impliquant des atomes d’oxygène manquants.

De plus, la couche supérieure de dioxyde de titane se comporte comme le dioxyde de vanadium, agissant également comme un semi-conducteur.

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

Applications

Semi-conducteurs plus rapides et meilleurs

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

• La transition isolant‑à‑métal (IMT) se produit à une vitesse extrême d’un billionième 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 électrons ne peut pas être ignorée, comme c’est actuellement le cas dans les électroniques à base de silicium.
  • Cela ouvre, à son tour, des 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 d’oxygène manquantes devrait réduire encore davantage le temps d’IMT.

Cela a des conséquences très importantes, car cela rend le dioxyde de vanadium potentiellement apte à devenir le matériau adéquat pour un nouveau type de calcul appelé informatique neuromorphique.

L’informatique neuromorphique est une méthode où les systèmes informatiques s’inspirent du cerveau des organismes vivants, avec des neurones.

Cela diffère des réseaux neuronaux actuellement utilisés par l’IA et les grands modèles de langage qui tentent d’imiter les neurones, mais qui reposent encore sur des transistors en silicium classiques et sont principalement basés sur l’apprentissage automatique logiciel.

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

Source: Tech Target

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

Vue d’ensemble

Les semi-conducteurs en dioxyde de vanadium, l’informatique neuromorphique et les oscillateurs à impulsions de type neurone de Mott sont à la pointe de la science des matériaux et de la conception de semi-conducteurs, probablement à au moins une décennie d’ici à leur viabilité commerciale.

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

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

Étant donné que nous étudions désormais le vanadium et le dioxyde de titane en temps réel et au niveau atomique, il semble raisonnable de s’attendre à ce que la loi de Moore tienne et que des matériaux comme le vanadium constituent la prochaine étape dans la conception de semi-conducteurs.

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

Entreprises de semi-conducteurs avancés

1. Intel

Intel (INTC ) est un géant du secteur des semi-conducteurs et a évolué au fil des ans, passant de fondateur de l’industrie à leader scientifique et d’innovation, perdant la première place du volume de fabrication au profit d’entreprises comme TSMC de Taïwan.

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

Source: Intel

Elle a également créé la Communauté de recherche neuromorphique d’Intel, qui comprend la Pennsylvania State University, impliquée dans cette récente recherche sur le dioxyde de vanadium, ainsi que plus de 75 autres groupes de recherche.

Source: Intel

Intel est également très actif dans l’imitation des sens biologiques en reproduisant le fonctionnement de notre cerveau (qui constitue lui‑même une branche de l’informatique neuromorphique), sujet que nous avons approfondi dans notre article « Puces olfactives biomimétiques : l’intelligence artificielle et les nez électroniques sont-ils le prochain canari dans une mine de charbon ? ».

Dans l’ensemble, la recherche du Laboratoire Intel est à la pointe de l’innovation en semi-conducteurs, incluant l’IA, l’informatique quantique, l’informatique neuromorphique, etc. (nous abordons les avancées 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) investigue également l’informatique neuromorphique (IBM ).

Elle développe également SyNAPSE : calcul neurosynaptique évolutif et économe en énergie, soutenu par la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), afin de combiner « nanoscience, neurosciences et supercalcul pour simuler et émuler les capacités du cerveau en matière de sensation, perception, action, interaction et cognition ».

IBM est également à la pointe du développement des ordinateurs quantiques. Par exemple, elle a développé son ordinateur quantique de 127 qubits « Eagle », suivi d’un système de 433 qubits connu sous le nom de « Osprey » et du processeur quantique à 1 121 qubits supraconducteurs « Condor ».

Source: All About Circuits

Avec Intel, IBM fait partie des entreprises qui poussent le plus agressivement les nouvelles formes de technologies informatiques, comme l’informatique quantique et neuromorphique, et devrait bénéficier des progrès réalisés dans la compréhension de la physique atomique fondamentale de matériaux comme le dioxyde de vanadium.