Informatique
Le phosphure de niobium pourrait rendre les centres de données plus efficaces en résolvant le maillon faible des matériaux
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Nouveau conducteur nécessaire pour les nano-puces
Lorsque de nouvelles puces informatiques avancées sont produites, l’objectif technologique principal a été de réduire la taille des transistors et de créer des formes plus avancées de matériaux semi‑conducteurs. Cela a été le moteur du succès d’entreprises comme TSMC (TSM ), qui atteignent désormais des nœuds de puces à l’échelle de 3 voire 2 nm (nanomètres).
Cependant, à cette échelle, de nouveaux problèmes apparaissent qui ne sont pas liés aux semi‑conducteurs. L’un d’eux est que les matériaux conducteurs traditionnels comme le cuivre ne conduisent pas bien l’électricité lorsque le fil métallique devient trop fin.
Cela peut créer des goulets d’étranglement pour l’électricité à l’intérieur des puces, réduisant la puissance de calcul et l’efficacité globale, ainsi que provoquant une surchauffe.
Ainsi, il s’agit d’une nouvelle importante : des chercheurs de l’Université Stanford, de l’Université Ajou à Suwon (Corée du Sud) et du IBM Watson Research Center ont développé un matériau ultra‑mince qui conduit l’électricité mieux que le cuivre dans ces conditions.
Ils ont publié leur découverte dans la prestigieuse revue scientifique Science, intitulée « Conduction de surface et réduction de la résistivité électrique dans le semi‑métal NbP non cristallin ultra‑mince1 ».
Remplacer le cuivre dans l’informatique
En raison de son prix relativement bas et de son excellente conductivité électrique, le cuivre a été le métal principal pour la connectivité électrique et constitue également un métal clé dans les batteries, les réseaux électriques, etc.
Cependant, en raison de la conductivité plus faible du cuivre à des échelles nanométriques inférieures à 50 nm, les chercheurs recherchent depuis un certain temps des alternatives. Le problème est que les conducteurs connus fonctionnant à l’échelle nanométrique possèdent des structures cristallines extrêmement précises, qui doivent être formées à des températures très élevées.
Cela ne pourrait pas fonctionner pour les semi‑conducteurs et les puces, car la haute température détruirait les composants en silicium fragiles.
Ainsi, la course a commencé pour trouver un conducteur ultra‑mince qui ne dépend pas de films monocristallins.
Phosphure de niobium
Les chercheurs ont travaillé avec le phosphure de niobium, un matériau connu pour présenter des propriétés électriques uniques, comme des électrons ultra‑rapides et une magnétorésistance très élevée. Il est notamment déjà utilisé dans les applications laser et à haute puissance / haute fréquence.
Le phosphure de niobium est appelé semi‑métal topologique: cela signifie que, bien que l’ensemble du matériau puisse conduire l’électricité, la surface est plus conductrice que le centre.
Pour simplifier un peu le concept, on peut dire que plus la couche de phosphure de niobium est fine, plus la partie de surface est importante, avec presque aucun « centre ». En conséquence, on peut s’attendre à ce que plus le phosphure de niobium est fin, plus il devient conducteur.
Et c’est exactement ce que les chercheurs ont observé.
« On pensait que si nous voulions exploiter ces surfaces topologiques, il nous fallait de beaux films monocristallins très difficiles à déposer. Maintenant, nous disposons d’une autre classe de matériaux – ces semi‑métaux topologiques – qui pourraient potentiellement servir à réduire la consommation d’énergie dans l’électronique. »
Il s’agit d’un domaine très récent, les physiciens n’ayant commencé à expérimenter les semi‑métaux topologiques qu’à partir de 2015. Et un film de moins de 5 nm n’avait jamais été produit auparavant.
Température plus basse pour les applications informatiques
Une température plus basse signifie que le phosphure de niobium est quelque peu désordonné, avec seulement des nanocristaux dans une matrice amorphe.
Source: Stanford Report
Après une analyse plus approfondie, il apparaît que la haute conductivité est due à des canaux conducteurs à la surface du film ultra‑mince.
Le film peut être déposé à seulement 400 °C (752 °F), une température suffisamment basse pour ne pas endommager les transistors en silicium à proximité dans une puce informatique. Cela en ferait donc un matériau idéal pour connecter les composants internes d’une puce avec une faible résistance et, par conséquent, une faible production de chaleur.
« Si vous devez fabriquer des fils cristallins parfaits, cela ne fonctionnera pas pour la nanoélectronique.
Mais si vous pouvez les rendre amorphes ou légèrement désordonnés et qu’ils vous offrent toujours les propriétés dont vous avez besoin, cela ouvre la porte à des applications potentielles dans le monde réel. »
Yuri Suzuki – Professeur de physique appliquée
Haute conductivité
Comparé aux films normaux de phosphure de niobium, le film de 5 nm était 6 fois plus conducteur. Cela était également inférieur aux métaux habituels comme le cuivre.
Lorsque l’épaisseur était de 1,5 nm, le matériau était deux fois plus conducteur que le cuivre.
Ainsi, il s’agit véritablement du tout premier exemple de conducteurs non cristallins à basse température qui surpassent la conductivité des métaux normaux à l’échelle nanométrique.
Source: Stanford Report
« Les électroniques à très haute densité nécessitent des connexions métalliques très fines, et si ces métaux ne conduisent pas bien, ils perdent beaucoup d’énergie et de puissance.
Des matériaux meilleurs pourraient nous aider à dépenser moins d’énergie dans les petits fils et plus d’énergie réellement consacrée au calcul. »
Eric Pop – Professeur d’ingénierie électrique
Les prochaines étapes
La prochaine étape consiste à tester, sur une puce réelle, l’efficacité du fil de phosphure de niobium lorsqu’il est appliqué à la nanoélectronique, non seulement en termes de conductivité mais aussi de fiabilité et de son intégration dans le processus de fabrication.
Pour cela, ils devront d’abord fabriquer des nanofils de phosphure de niobium à grande échelle.
Un autre travail consistera à vérifier si ce concept ne pourrait pas être mieux exploité par d’autres semi‑métaux qui pourraient fonctionner encore mieux que le niobium.
« Pour que cette classe de matériaux soit adoptée dans les futures électroniques, nous avons besoin qu’ils soient encore meilleurs conducteurs. À cet effet, nous explorons des semi‑métaux topologiques alternatifs. »
Xiangjin Wu, doctorant à Stanford
L’évacuation de la chaleur est désormais l’un des processus les plus énergivores dans ces centres de données, autant que le calcul lui‑même. Cela est particulièrement vrai pour les puces de 5‑3 nm, nécessaires à l’entraînement de l’IA et aux calculs les plus complexes.
Ainsi, à long terme, les matériaux conducteurs à l’échelle nanométrique seront indispensables, car la production de chaleur devient un problème de plus en plus important pour les centres de données utilisant des puces avancées.
Il est également possible que les films ultra‑minces de phosphure de niobium trouvent d’autres applications dans les technologies avancées, notamment là où ce matériau est déjà utilisé, comme les équipements laser ou de télécommunications.
Investir dans les matériaux conducteurs avancés
À mesure que les puces avancées et les éléments semi‑conducteurs deviennent plus petits, l’industrie se concentre sur un petit nombre de grands fabricants comme TSMC (TSM ), Intel (INTC ) ou Nvidia (NVDA ) (suivez les liens pour des rapports dédiés à chacune de ces entreprises).
Vous pouvez investir dans des sociétés liées aux semi‑conducteurs via de nombreux courtiers, et vous pouvez trouver ici, sur securities.io, nos recommandations pour les meilleurs courtiers aux États‑Unis, Canada, Australie, Royaume‑Uni, ainsi que de nombreux autres pays.
Ou, si vous préférez une approche plus diversifiée, vous pouvez investir dans des ETF liés aux semi‑conducteurs comme le iShares Semiconductor ETF (SOXX), le VanEck Semiconductor ETF (SMH), ou le Global X Semiconductor ETF (SEMI).
Vous pouvez également en savoir plus sur la chaîne d’approvisionnement des équipements de fabrication de semi‑conducteurs et les entreprises clés dans « Top 10 Semiconductor Equipment Stocks for Manufacturing Support ».
Entreprise de matériaux avancés pour l’informatique
IBM Graphique du prix
International Business Machines Corporation (IBM ) (IBM) a été la force motrice derrière la commercialisation du premier ordinateur mainframe. Elle a également été le principal partenaire industriel des chercheurs de Stanford pour leur projet de phosphure de niobium.
L’entreprise a perdu du terrain en termes de volume de production face à d’autres géants technologiques comme Apple (AAPL ), TSMC et NVIDIA.
Cependant, elle est à la pointe du développement de nouveaux matériaux et technologies informatiques.
IBM est à la pointe des progrès en technologie de conduction, et les semi‑métaux topologiques ne sont qu’un de ces domaines. Ainsi, elle est non seulement en avance sur les nouveaux matériaux conducteurs ultra‑minces, mais aussi sur les supraconducteurs à haute température.
Ces supraconducteurs sont essentiels pour les ordinateurs quantiques. Récemment, IBM a développé « Condor », un processeur quantique à 1 121 qubits supraconducteurs basé sur la technologie de porte à résonance croisée, ainsi que « Heron », un processeur quantique à la pointe du domaine.
IBM est impliquée dans la plupart des autres innovations de pointe dans le domaine de l’informatique et de l’industrie des semi‑conducteurs. Celles‑ci incluent conducting organic materials, neuromorphic computing, photonics, etc.
Dans une certaine mesure, IBM est devenue une « entreprise de brevets » avec une expertise dans le développement de nouvelles méthodes informatiques et leur licence à l’industrie.
Jusqu’à présent, IBM semble très déterminée à détenir autant de brevets clés dans toutes les méthodes informatiques non basées sur le silicium qu’elle le peut, reproduisant son succès passé lorsqu’elle a contribué massivement au développement de l’industrie des semi‑conducteurs pour en faire le géant qu’elle est aujourd’hui.
Le phosphure de niobium et d’autres technologies liées aux semi‑métaux topologiques s’inscriraient parfaitement dans cette stratégie, IBM développant la technologie pour remplacer le cuivre dans ces cas, puis la concédant sous licence aux grandes fonderies de puces pour les étapes de fabrication.
Référence de l’étude:
1. Khan, A. I., et al. (2025). Conduction de surface et réduction de la résistivité électrique dans le semi‑métal NbP non cristallin ultra‑mince. Science, 387(62–67). https://doi.org/10.1126/science.adq7096
