Nanotechnologie repoussant les limites de l’informatique avec rapidité et efficacité

Les technologies informatiques avancées progressent considérablement vers l’atteinte d’une grande vitesse et d’une faible consommation d’énergie.

Les avancées clés dans ce domaine comprennent des architectures de silicium novatrices qui utilisent des conceptions en couches pour fabriquer des puces plus rapides et plus petites à moindre coût. Parallèlement, l’informatique photonique utilise des ondes lumineuses pour traiter et stocker les données. Avec la vitesse de la lumière tout simplement inégalable, cela peut offrir une grande rapidité et une faible latence.

Ensuite, il existe l’informatique biologique, où l’information est encodée et stockée dans des cellules biologiques, propulsée par les progrès réalisés en nanobiotechnologie. L’informatique quantique offre également un potentiel important, résolvant des problèmes complexes plus rapidement que les ordinateurs actuels en exploitant la superposition quantique, l’intrication et l’interférence.

De plus, l’informatique neuromorphique imite les systèmes neuronaux de notre cerveau pour effectuer des calculs parallèles ; l’informatique en nuage déplace le traitement vers des emplacements distants ou virtuels ; et l’informatique en périphérie déplace le traitement des installations centralisées vers les utilisateurs finaux.

Tous ces développements dans la technologie informatique, qui se concentrent sur les outils et les systèmes de traitement, de stockage et de communication des données, ont conduit à des avancées sans précédent dans des domaines tels que l’intelligence artificielle (IA) et l’analyse de données.

La recherche continue dans ce domaine a conduit à une innovation soutenue et rapide des techniques informatiques, les scientifiques allant désormais encore plus loin pour obtenir des résultats meilleurs, plus rapides et plus efficaces.

Percée dans la fabrication laser à l’échelle nanométrique du silicium

Des chercheurs de l’Université Bilkent, Turquie, ont récemment réalisé une percée en développant une technique de fabrication de nanostructures profondément à l’intérieur des plaquettes de silicium. 

La nouvelle méthode permet la nanofabrication à l’intérieur du silicium grâce à la modulation spatiale de la lumière et aux impulsions laser, créant des nanostructures avancées qui bénéficieront à l’électronique et à la photonique.

L’étude s’est concentrée sur le silicium, la base de l’électronique, de la photonique et du photovoltaïque. En tant que semi-conducteur, la conductivité électrique du silicium se situe entre celle d’un isolant et d’un conducteur pur. C’est le deuxième élément le plus abondant dans la croûte terrestre, possédant à la fois des propriétés métalliques et non métalliques. De plus, les excellentes propriétés électriques du silicium, y compris son gap énergétique relativement petit, en font un matériau important dans l’industrie des semi-conducteurs.

Cependant, le silicone a été limité à la nanofabrication de surface en raison des difficultés posées par les techniques lithographiques existantes. Les méthodes actuelles sont soit incapables de pénétrer la surface de la plaquette sans provoquer de modifications, soit restreintes par la résolution de la lithographie laser. De plus, les techniques existantes ne permettent pas une modulation de haute précision en profondeur dans la plaquette. 

Si les dispositifs pouvaient être directement fabriqués à l’intérieur du volume de ce métal sans altérer la surface supérieure ou inférieure de la plaquette, cela établirait une nouvelle norme.

Bien sûr, cela signifie surmonter tous ces défis d’une limite de résolution de fabrication supérieure à 1 micron tout en obtenant simultanément un contrôle multidimensionnel à l’échelle nanométrique à l’intérieur de la plaquette. Réaliser cela serait toutefois une avancée magique, permettant des fonctionnalités inédites de la nanophotonique 3D et conduisant à des métasurfaces à l’intérieur du Si. 

Les recherches récentes ont exploité des faisceaux laser modulés spatialement et un retour anisotrope provenant de structures sous-surface préformées pour y parvenir. Cela a permis à l’équipe d’établir une capacité de nanofabrication contrôlée à l’intérieur du Si en manipulant la matière à l’échelle nanométrique. 

Pour préciser, l’équipe de Bilkent a relevé le défi des effets optiques complexes au sein de la plaquette et de la limite de diffraction inhérente à la lumière laser en utilisant le pulse laser unique, créé par la modulation spatiale. Les impulsions laser modulées spatialement correspondent à une fonction de Bessel.

Les effets de diffusion optique, qui entravaient le dépôt précis d’énergie, ont ensuite été surmontés grâce à la nature non diffractante du faisceau laser spécial. Cette nature non diffractante est créée avec des techniques avancées de projection holographique, qui permettent la localisation précise de l’énergie. Cela conduit à des valeurs de pression et de température suffisamment élevées pour modifier le matériau dans un petit volume. 

Selon Onur Tokel, professeur au Département de Physique:

« Notre approche repose sur la localisation de l’énergie de l’impulsion laser à l’intérieur d’un matériau semi-conducteur dans un volume extrêmement petit, de sorte que l’on puisse exploiter des effets d’amplification de champ émergents analogues à ceux de la plasmonique. Cela conduit à un contrôle sous-longueur d’onde et multidimensionnel directement à l’intérieur du matériau. »

Il a ajouté:

« Nous pouvons désormais fabriquer des éléments nanophotoniques enfouis dans le silicium, tels que des nanogratings avec une haute efficacité de diffraction et même un contrôle spectral. »

Cela a été suivi par un effet de semence émergent, où des nano-vides créés sous la surface ont généré une forte amplification de champ dans leurs environs proches. Une fois établi, l’amplification de champ résultante se maintient, ce qui signifie que la création de structures nanométriques antérieures aide à fabriquer les structures nanométriques ultérieures. 

Par ailleurs, l’utilisation de la polarisation laser a offert aux chercheurs un contrôle supplémentaire sur l’alignement et la symétrie des nanostructures à l’échelle nanométrique, permettant le développement précis de divers nano-ensembles.

« En tirant parti du mécanisme de rétroaction anisotrope présent dans le système d’interaction laser-matière, nous avons réalisé une lithographie nanométrique contrôlée par polarisation dans le silicium. »

– L’auteur principal de l’étude, Dr. Asgari Sabet 

Cette nouvelle méthode de fabrication a atteint des tailles de caractéristiques aussi petites que 100 nm, ce qui représente une amélioration considérable par rapport aux régimes conventionnels. 

Cette étude pourrait avoir des implications considérables pour les systèmes à l’échelle nanométrique avec des structures spécifiques en démontrant une nanostructuration volumétrique à grande surface avec un contrôle multidimensionnel et des caractéristiques dépassant la limite de diffraction. Selon les chercheurs, les avancées futures potentielles découlant de cette étude pourraient inclure des métamatériaux, des métasurfaces, des applications de traitement de l’information et des cristaux photoniques.

La recherche montre également un potentiel substantiel d’intégration avec les systèmes sur puce, la capacité de nanograting introduite étant une étape vers cet objectif. L’étude note qu’il s’agit également du premier photonique Si à plusieurs couches.

Dans l’ensemble, l’étude a introduit « un nouveau paradigme de fabrication pour le silicium. La capacité de fabriquer à l’échelle nanométrique directement à l’intérieur du silicium ouvre un nouveau régime vers une intégration accrue et la photonique avancée », a déclaré le Prof. Tokel. La prochaine étape de l’étude est d’examiner si une nanofabrication 3D complète dans le Si peut être réalisée. 

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Nanomatériaux ouvrant la voie à l’informatique de prochaine génération

Comme nous l’avons vu ci-dessus, les chercheurs ciblent les nanostructures pour de meilleurs résultats. La nanotechnologie consiste à contrôler la matière à l’échelle nanométrique, allant de 1 à 100 nanomètres. 

À une telle échelle minuscule, nous pouvons observer des propriétés et des comportements uniques des matériaux, permettant aux chercheurs et aux ingénieurs de les manipuler pour diverses applications. En conséquence, la nanotechnologie a de vastes implications dans de nombreuses industries, notamment l’énergie, l’électronique, la médecine et la science des matériaux.

Avec un grand potentiel pour relever certains des défis les plus pressants du monde, la nanotechnologie évolue rapidement grâce à des avancées et des percées continues, en particulier dans l’informatique et l’électronique. La nanotechnologie a réellement contribué de manière significative aux avancées majeures dans ces secteurs, qui ont conduit à des systèmes plus rapides, plus petits et plus portables.

Par exemple, des nanomatériaux tels que le graphène et les nanotubes de carbone ont montré un potentiel pour créer des électroniques flexibles et transparentes.

Les nanostructures ont transformé les domaines des semi-conducteurs et de l’informatique en améliorant les propriétés électriques, optiques et magnétiques des matériaux au-delà de leurs homologues en vrac.

Dans ce contexte, des progrès sont réalisés dans l’informatique quantique et la communication en utilisant des bits quantiques à l’échelle nanométrique. De plus, la recherche continue de développer des nanomatériaux pour des batteries à haute capacité, à charge rapide, et des supercondensateurs. Parallèlement, les avancées dans les techniques de fabrication à l’échelle nanométrique permettent la création d’appareils et de composants miniaturisés avec des performances puissantes.

En permettant le développement d’appareils plus petits et plus efficaces tels que des transistors et des puces mémoire à l’échelle nanométrique, la nanotechnologie a considérablement augmenté la puissance de calcul et la capacité de stockage, repoussant les limites de la loi de Moore.

La loi de Moore mentionnée ici a été formulée par le cofondateur d’Intel, Gordon Moore, qui a postulé que le nombre de transistors sur une puce unique doublerait approximativement tous les deux ans, avec une augmentation minimale des coûts.

Si l’on examine cela, c’est dans les années 1950 que les transistors ont commencé à remplacer les tubes à vide comme composant clé des circuits électroniques. Alors que les premiers transistors mesuraient généralement un centimètre, ils ont rapidement été mesurés en millimètres.

En avançant rapidement jusqu’au début de ce siècle, la taille avait été réduite à entre 130 et 250 nanomètres, pour être encore réduite à seulement 14 nanomètres il y a une décennie. Puis, en 2015, IBM a divisé cette taille de moitié en créant le premier transistor à sept nanomètres. Ce parcours vers des transistors plus petits, meilleurs et plus rapides se poursuit encore aujourd’hui.

Au cours des dernières années, la plus petite taille de transistor en production a été réduite à 3 nm, IBM annonçant un transistor de 2 nm en mai 2021, qui est plus petit qu’un brin d’ADN. Nous nous concentrons sur les transistors car ils sont fondamentaux pour alimenter presque tous les appareils électroniques.

Il est intéressant de noter que plus ces transistors deviennent petits, moins ils consomment d’énergie et plus ils sont rapides. Cependant, beaucoup pensent que l’on ne peut réduire la taille indéfiniment, et qu’éventuellement, nous ne pourrons plus continuer à miniaturiser. C’est alors que de nouveaux nanomatériaux et des technologies avancées seront nécessaires pour améliorer nos appareils.

Cela a conduit les scientifiques à se tourner vers des technologies comme les systèmes neuromorphiques, qui nécessitent le développement de nouveaux neurones et synapses artificiels capables de dépasser les performances des circuits CMOS (complémentaire métal-oxyde-semiconducteur) standard.

En utilisant des neurones et des synapses artificiels, ces ordinateurs simulent la façon dont le cerveau humain traite l’information. Cela leur permet de reconnaître des motifs, de résoudre des problèmes et de prendre des décisions plus efficacement et plus rapidement que les ordinateurs actuels. Bien que ce domaine soit encore nouveau, il montre un potentiel dans l’informatique cognitive, les véhicules autonomes et l’IA, où la rapidité et l’efficacité sont importantes.

Les chercheurs explorent également de nouvelles classes de matériaux, tels que les points quantiques et le graphène, pour répondre aux besoins de l’informatique avancée. Des études récentes ont exploré le Quantum Dot Cellular Automata (QCA) pour concevoir des ordinateurs à l’échelle nanométrique avec des améliorations tant en vitesse qu’en efficacité.

En plus du graphène, les matériaux 2D comme les dichalcogénures de métaux de transition (2D-TMD) sont envisagés pour une utilisation dans les semi-conducteurs. La grande surface de ce matériau permet une interaction efficace avec la lumière et améliore son appropriation pour la manipulation de la lumière, tandis que sa mobilité de porteurs de charge inhabituelle augmente les performances des dispositifs. Sa durabilité le rend résilient pour diverses applications réelles.

Comme indiqué ci-dessus, les dernières recherches visant la nanofabrication à l’intérieur du silicium visent également à permettre la prochaine génération de puces à base de silicium avec une puissance de traitement bien supérieure.

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Entreprises travaillant sur les technologies informatiques avancées

Si nous considérons les entreprises impliquées dans ce domaine, Applied Materials (AMAT) fournit des technologies de nanomanufacturing pour les semi-conducteurs avancés. Advanced Micro Devices (AMD) développe du matériel informatique haute performance et explore les technologies informatiques avancées.

NVIDIA Corporation (NVDA), connue pour ses GPU, investit également massivement dans la recherche en informatique quantique. Les superordinateurs Nvidia sont utilisés pour développer des systèmes d’optimisation quantique afin de résoudre des problèmes spécifiques. NVIDIA, souvent appelée le « chouchou de l’IA », a vu ses actions augmenter de 157 % depuis le début de l’année (YTD).

L’entreprise a enregistré des ventes records de 26 milliards de dollars au 1T24, en hausse de 18 % par rapport au trimestre précédent et de 262 % par rapport à l’année précédente. La société a également annoncé un fractionnement d’actions dix pour un le 7 juin 2024, et a augmenté son dividende trimestriel à 0,01 $.

Examinons maintenant les entreprises qui pionnier la recherche en informatique avancée, nanotechnologie et innovations dans la conception de puces.

#1. IBM

International Business Machines Corporation (IBM) est une entreprise technologique populaire impliquée dans les opportunités cloud et IA. Son focus est la recherche en informatique quantique et l’avancement de la technologie des semi-conducteurs.

Au cours de l’année écoulée, l’entreprise a présenté son processeur quantique de dernière génération, l’IBM Heron, qui possède 133 qubits à fréquence fixe et une amélioration de trois à cinq fois des performances du dispositif.

Selon Jay Gambetta, vice-président chez IBM Quantum:

« La pleine puissance de l’informatique quantique sera alimentée par l’IA générative pour simplifier l’expérience développeur. »

L’entreprise a une capitalisation boursière de 180,57 milliards de dollars, et ses actions se négocient à 195,51 $, en hausse de 19,86 % YTD. Son rendement du dividende est de 3,41 %. Pour le 2T24, IBM a déclaré un chiffre d’affaires de 15,8 milliards de dollars, soit une hausse de 2 % par rapport à l’année précédente.

Le flux de trésorerie disponible, quant à lui, était de 2,6 milliards de dollars, que l’entreprise a porté à 12 milliards de dollars pour la vision annuelle complète, avec 1,5 milliard de dollars retournés aux actionnaires sous forme de dividendes pendant la période. L’entreprise a terminé le trimestre avec 16 milliards de dollars en liquidités, liquidités restreintes et titres négociables. Tout en soulignant l’expertise d’IBM en IA d’entreprise et son activité d’IA générative qui a dépassé les 2 milliards de dollars depuis le lancement de Watsonx il y a un an, le PDG d’IBM, Arvind Krishna:

« Nous avons eu un deuxième trimestre solide, dépassant nos attentes. »

#2. Intel Corporation

Intel Corporation (INTC) innove dans la conception de puces et explore l’informatique neuromorphique et quantique. Ce fabricant de puces semi-conductrices est l’inventeur de la série de microprocesseurs x86, qui sont présents dans la plupart des ordinateurs personnels. L’entreprise travaille actuellement sur regaining its edge dans la fabrication mondiale de puces, pour laquelle elle a reçu des financements via des subventions et des prêts du gouvernement américain.

Grâce à la recherche neuromorphique, Intel vise à accélérer l’avenir de l’IA adaptative en co-concevant du matériel optimisé avec les logiciels d’IA de prochaine génération. De plus, Intel a créé la Intel Neuromorphic Research Community (INRC). Cet effort collaboratif mondial réunit des équipes d’institutions de recherche, de groupes académiques, d’entreprises et de laboratoires gouvernementaux pour faire progresser la frontière de l’IA inspirée du cerveau.

L’entreprise a une capitalisation boursière de 89,56 milliards de dollars, et ses actions se négocient à 21,06 $, en baisse de 58,23 % YTD. Pour le 2T24, Intel a déclaré des résultats financiers « décevants », avec un chiffre d’affaires de 12,8 milliards de dollars, en baisse de 1 % d’une année sur l’autre, tandis que le BPA non GAAP était de 0,02 $. L’entreprise a annoncé la suspension du dividende à partir du quatrième trimestre 2024 tout en réitérant son « engagement à long terme envers un dividende compétitif à mesure que les flux de trésorerie s’améliorent pour atteindre des niveaux durablement plus élevés. »

Conclusion

L’informatique avancée, qui se concentre sur de nouvelles méthodes et technologies stimulant des approches informatiques innovantes, suscite un intérêt considérable de la part des entreprises, des chercheurs, des ingénieurs et des gouvernements. Après tout, elle est fondamentale pour la cybersécurité, les marchés financiers et de nombreuses autres infrastructures critiques. De plus, l’utilisation généralisée de l’IA est soutenue par la puissance de calcul avancée, ainsi que par les données, les algorithmes et les microprocesseurs.

Au cours des dernières décennies, les avancées de la technologie informatique ont considérablement amélioré les performances et les fonctionnalités des appareils que nous utilisons régulièrement, alimentant ainsi la croissance de l’économie numérique. Étant donné son impact profond sur la société, la recherche et le développement continus sont indispensables pour répondre aux exigences d’un calcul gourmand en énergie et ouvrir la voie à l’informatique avancée, permettant la création de produits et de services qui étaient auparavant inimaginables.

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