Informatique
Le redox gating pourrait conduire à de nouveaux niveaux d’efficacité dans les micro‑électroniques
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Améliorer la microélectronique grâce au redox gating
Les dispositifs microélectroniques, comme les puces informatiques, utilisent des transistors de plus en plus petits, ce qui rend leur fabrication efficace de plus en plus difficile.
Cela pose également des problèmes croissants de consommation électrique et de gestion de la chaleur produite.
Le boom de l’IA signifie que cette consommation d’énergie pourrait exploser, avec des prévisions selon lesquelles, d’ici 2030, l’IA pourrait représenter de 3 % à 4 % de la demande énergétique mondiale. Ces prévisions précèdent même un éventuel essor de l’informatique quantique, dont nous avons présenté les dernières avancées dans notre article « L’état actuel de l’informatique quantique ».
En conséquence, de nouvelles méthodes pour manipuler les électrons, y compris au niveau quantique, sont nécessaires.
La démonstration par des chercheurs du laboratoire national d’Argonne, rattaché au département américain de l’Énergie (DOE), d’un nouveau système comparable à un transistor fonctionnant à une tension bien plus faible constitue donc une avancée prometteuse. Cette technique est appelée redox gating.
Qu’est‑ce que le redox gating ?
Dans leur publication « Redox Gating for Colossal Carrier Modulation and Unique Phase Control », les chercheurs expliquent les principes du redox gating et de l’électronique fondée sur les réactions d’oxydoréduction.
Normalement, les transistors en silicium s’appuient sur des champs électriques pour contrôler le flux d’électrons utilisé par le transistor pour effectuer des calculs.
À la place, le redox gating utilise un courant à basse tension et l’applique à une « grille électronique ». Lorsque la tension dépasse un certain seuil, la porte s’ouvre et laisse passer les électrons. L’électron est fourni par un matériau redox (une molécule capable de « donner » des électrons), d’où le nom « redox gating ».
Le matériau redox peut être régénéré. L’étude rapporte une modulation réversible des porteurs de charge sur des milliers de cycles, à des tensions inférieures à un volt.
Source : Advanced Materials
Les chercheurs ont démontré le principe du redox gating avec pas moins de trois matériaux différents :
- poly(liquides ioniques) conjugués (PIL)
- PIL contenant du métal
- sels métalliques simples.
Les chercheurs ont étudié la modulation des porteurs de charge dans des films minces d’oxyde de tungstène (VI) (WO3) et d’oxyde de vanadium (IV) (VO2). Ces oxydes constituent le matériau du canal, et non le diélectrique de grille.
Ces travaux ont été rendus possibles par des installations existantes permettant de produire les matériaux et d’analyser les dispositifs redox, notamment le Center for Nanoscale Materials d’Argonne et l’Advanced Photon Source d’Argonne.
Potentiel du redox gating
Consommation d’énergie
Étant donné que les portes redox testées fonctionnent avec une tension aussi basse qu’un demi-volt, cela pourrait ouvrir la voie à des dispositifs microélectroniques qui consomment très peu d’énergie et génèrent très peu de chaleur.
Une plus grande efficacité énergétique et des besoins de refroidissement réduits pourraient devenir très importants, la capacité de calcul et l’énergie qu’elle consomme pouvant devenir le goulot d’étranglement du progrès futur de l’IA.
La polyvalence des mécanismes de redox gating pourrait également ouvrir la voie à l’adoption de matériaux respectueux de l’environnement et au développement d’architectures de dispositifs innovantes.
Informatique quantique
L’informatique quantique est un domaine émergent qui promet de résoudre des problèmes pratiquement impossibles à calculer avec des transistors en silicium classiques.
Le redox gating pourrait également contribuer aux progrès de l’informatique quantique. Plus précisément, il pourrait aider à développer des portes logiques quantiques qui fonctionnent à faible puissance.
Étant donné que les ordinateurs quantiques sont passés de quelques qubits à récemment franchir le seuil de plusieurs milliers de qubits, maîtriser la consommation d’énergie pourrait être nécessaire pour que le domaine devienne commercialement viable.
Calculs de type cérébral
Un autre aspect prometteur du redox gating est qu’il fonctionne à très basse tension et permet d’ajuster finement le flux d’électrons.
C’est ainsi que les neurones humains traitent et amplifient les signaux électriques. Ce fonctionnement pourrait donc permettre de concevoir des puces électroniques qui fonctionnent comme des cerveaux.
Étant donné que le cerveau « calcule » probablement à travers des éléments de calculs analogiques à basse tension (gradation plutôt que les valeurs absolues 1 & 0) et potentiellement des effets d’informatique quantique (la théorie de l’esprit quantique), des applications à une IA dotée de capacités humaines ou d’une conscience restent spéculatives et ne sont pas démontrées par cette étude.
Conclusion
Le redox gating peut d’abord sembler une idée très obscure et de niche dans la microélectronique.
Cependant, il montre que les semi-conducteurs et l’informatique ne se limitent pas à la simple réduction de la taille des transistors. Avec d’autres innovations, cela pourrait ouvrir la voie à des puces à basse tension, à faible chaleur résiduelle et à faible toxicité.
Et elles pourraient même renforcer le potentiel de l’informatique quantique ainsi que constituer les éléments de base de systèmes informatiques inspirés du cerveau dans les décennies à venir.
