Un minuscule dispositif piézoélectronique améliore la performance des puces CMOS
Les utilisateurs d’ordinateurs se sont habitués à ce que chaque nouvelle génération de puce soit plus rapide que la précédente. Les gains en vitesse résultent de la réduction de la taille des puces mémoire CMOS (semi-conducteur à oxyde de métal complémentaire), qui sont au cœur de l’activité de tous les ordinateurs et dispositifs informatiques. Avec la réduction de la taille, les tensions d’alimentation diminuent également, ce qui permet une commutation plus rapide des transistors. Pourtant, en dessous d’une certaine taille, les effets quantiques commencent à jouer. Les puces CMOS deviennent de plus en plus inefficaces sur le plan énergétique. Les gains de vitesse nécessiteraient plus d’électricité, ce qui rendrait les appareils plus coûteux à faire fonctionner. C’est ainsi que l’augmentation exponentielle de la vitesse des puces, qui a défini l’ère des microprocesseurs, a pris fin vers 2003. Les gains de performance apparents réalisés depuis lors sont plus le résultat d’une augmentation de la densité des transistors et des multiples cœurs de processeur que d’une amélioration réelle de la vitesse. L’industrie électronique a besoin d’une nouvelle technologie de transistors CMOS, et le projet PETMEM (Piezoelectronic Transduction Memory Device), financé par l’UE a entrepris de la développer. Sa solution, dénommée transistor à transduction piézoélectronique (PET), devrait être plus rapide et plus économique en énergie que les CMOS classiques.
Un nouveau transistor
Le transistor PET est un nouveau type de commutateur électronique qui fonctionne selon l’effet piézoélectrique. Pour résumer, lorsqu’un matériau approprié est comprimé, il produit de l’électricité; à l’inverse, l’application d’électricité à ce matériau change sa forme, produisant un effet mécanique. Le transistor PET utilise cet effet dans les deux sens, en recourant à deux matériaux liés ensemble. Tout d’abord, l’appareil convertit un signal électronique en onde sonore (de pression). La pression comprime un matériau piézorésistif, et la compression active et désactive la résistance électrique du matériau. Si l’on considère l’appareil dans son ensemble, connecter ou déconnecter la tension d’alimentation active le commutateur. La tension dépend des propriétés piézoélectriques des matériaux. Certains matériaux développés au cours des dernières années fonctionnent avec de très basses tensions. Or qui dit basse tension dit vitesse de commutation rapide. Nick Chadwick, coordinateur du projet, explique: «Si on applique la pression à tout le sandwich, et si on réduit toutes les dimensions, nous pouvons réaliser un minuscule commutateur électronique de 100 nanomètres.»
Commutation haute performance
Un transistor aussi petit devrait pouvoir commuter 10 milliards de fois par seconde. Suite à la mise en œuvre de la prochaine phase de développement technologique du projet, nous pourrions donc obtenir des appareils de 10 GHz. Les premiers clients industriels seront probablement le secteur des télécommunications. Les appareils de communications mobiles ont besoin de commutateurs rapides et à faible consommation d’énergie pour exploiter tout le potentiel des services 5G. Le PET est en mesure de fournir la performance attendue. À plus long terme, les puces d’ordinateur auront besoin d’une très faible puissance sur la mémoire du processeur, ce que, là encore, le PET serait en mesure de fournir. Nick Chadwick explique: «Au début, nous manquions d’installations de production, d’un flux de processus mature et d’outils de test. Nous avons donc dû commencer par développer tout ça, avant de nous pencher sur le transistor TEP.» L’équipe prévoit que les premiers démonstrateurs en état de marche soient finalisés au cours de l’année 2020. Une fois les prototypes achevés, l’équipe pourra procéder à une évaluation commerciale complète pour des applications dans le domaine des télécommunications. Ensuite, le groupe étudiera les possibilités de travailler avec de plus grands laboratoires, ainsi que les options de financement, pour co-développer la technologie. Grâce au projet PETMEM et à son nouveau dispositif CMOS, les freins à l’augmentation de la vitesse des puces auront été débloqués. Les appareils électroniques pourront reprendre de la vitesse.
Mots‑clés
PETMEM, transistor, CMOS, ordinateur, piézoélectrique, transistor PET, puce mémoire, transduction piézoélectronique
