Modéliser le rendement énergétique pour la prochaine génération de puces
Pour déterminer la consommation de puces et de diodes électroluminescentes (LED), des scientifiques financés par l'UE ont réalisé des simulations à partir de l'échelle nanométrique jusqu'au niveau de l'appareil, ouvrant la voie à une génération de dispositifs électroniques et d'éclairage ayant une meilleure efficacité énergétique. Le trafic des données Internet croît chaque année de façon exponentielle et consomme de plus en plus d'énergie, que ce soit par l'intermédiaire des smartphones, des tablettes ou des ordinateurs. Cela représente actuellement entre 5 et 10 % de la consommation mondiale d'électricité. Chaque requête émise à partir d'un moteur de recherche comme Google accède à un énorme centre de données hébergé par des ordinateurs en réseau. Les interconnexions et les transistors des puces consomment déjà tant d'énergie que la gestion de la chaleur générée par les composants est devenue un problème de conception majeur. «Internet commence déjà à entraîner des besoins énergétiques mondiaux non durables, et les choses ne pourront qu'empirer avec le développement de l'Internet des objets», déclare le professeur Eoin O'Reilly, coordinateur du projet DEEPEN (From Atom-to-Device Explicit simulation Environment for Photonics and Electronics Nanostructure). «À défaut d'améliorer l'efficacité énergétique, on peut extrapoler que, dans une quinzaine d'années, Internet consommera 50 % de l'énergie produite, ce qui ne semble pas viable», ajoute-t-il. Pour modéliser l'efficacité énergétique, l'équipe du projet a simulé la consommation d'énergie dans les composants de puce et de LED. Mais lorsque la taille des composants se réduit à l'échelle nanométrique, pour n'atteindre parfois que 50 à 100 atomes de large, les simulations reposant traditionnellement sur les propriétés générales ou moyennes des matériaux semi-conducteurs ne permettent pas d'obtenir un modèle précis de l'utilisation de l'énergie. Les partenaires de DEEPEN comportaient des chercheurs, développeurs de logiciels, experts en simulation et en utilisation de cette simulation pour la conception d'appareils, ainsi que des partenaires industriels de fabrication comme Osram en Allemagne, l'un des principaux producteurs mondiaux de LED. Ils ont réalisé des simulations, aussi bien au niveau atomique qu'à celui de l'appareil, pour développer une «bibliothèque» des propriétés des matériaux et de leurs modifications aux différentes échelles. «Le comportement à l'échelle nanométrique devient plus important à mesure que la taille des dispositifs diminue», déclare le Pr O'Reilly, de l' Institut national Tyndall à Cork, en Irlande. «À l'échelle la plus petite, il est possible de décrire très précisément les propriétés électroniques, mais cela s'avère très coûteux en termes de temps et de mémoire informatique.» Les experts de DEEPEN ont donc collaboré pendant trois ans pour concevoir des simulations multi-échelles. Ils ont pour cela utilisé des codes logiciels destinés au traitement de divers problèmes, puis ils ont relié ces codes entre eux. En ce qui concerne les LED, «nos simulations ont montré que les effets atomiques locaux sont très importants pour comprendre les caractéristiques d'émission lumineuse des LED vertes et bleues. Jusqu'à présent, les tentatives de modélisation (de l'efficacité énergétique) des dispositifs avaient ignoré ces effets atomiques locaux», affirme le professeur O'Reilly. En ce qui concerne les transistors – les dispositifs semi-conducteurs contenus dans les puces, qui transfèrent les signaux électroniques en utilisant l'énergie électrique – la modélisation traditionnelle de l'efficacité énergétique prend en compte leurs propriétés moyennes. «Mais dans notre projet, pour la première fois, nous avons pu relier la description très sophistiquée des propriétés atomiques de la région active avec le traitement à plus haut niveau du reste du dispositif», ajoute-t-il. Grâce à la contribution d'autres projets du Cluster européen de modélisation multi-échelle destinés à développer de nouvelles normes et processus dans ce domaine, les modèles ainsi reliés seront utilisés pour améliorer la conception de ces dispositifs. «Nous sommes maintenant en bien meilleure position pour rédiger des directives de conception précises à l'intention de l'industrie des semi-conducteurs, et soutenir ses efforts permanents dans la recherche de dispositifs nanoélectroniques économes en énergie», conclut le professeur O'Reilly.
Mots‑clés
DEEPEN, simulation, énergie, efficacité énergétique, photonique d'éclairage, nanotechnologie
