2. La perturbation des performances des transistors
En théorie, la miniaturisation de la taille des composants devrait permettre d'augmenter la vitesse de commutation des transistors et de réduire leur consommation en énergie. Or, le passage de la microélectronique à l'échelle nanométrique s'accompagne de nombreux effets qui perturbent la performance des transistors.
a) Les interconnexions
L'un des problèmes majeurs dans la réalisation de circuits intégrés complexes réside dans le système d'interconnexion des blocs de circuits. Actuellement, la longueur moyenne des connexions sur une puce s'élève à 8 km !
La complexité d'interconnecter des milliards de transistors s'est d'abord traduite par le besoin d'augmenter le nombre de couches métalliques et à les spécialiser pour transférer des signaux à courte et longue distance : on parle maintenant facilement de 7 à 10, voire 12 niveaux de métallisation.
Par ailleurs, contrairement au transistor, la vitesse de propagation d'un signal dans une interconnexion ne s'améliore pas avec la miniaturisation, la résistivité de la ligne métallique ayant tendance à se détériorer avec la réduction des dimensions.
Pour contrer cette tendance, l'aluminium a été remplacé par du cuivre, plus conducteur.
Dans le même temps, les pertes capacitives dues aux capacités parasites engendrées par le croisement des lignes d'interconnexion ont pris de l'importance. La silice ou les mélanges silice et nitrure de silicium, les matériaux diélectriques traditionnels d'isolement entre les divers niveaux métalliques ont été remplacés par des matériaux organiques polymères à faible permittivité appelés matériaux « low k ».
Récemment, IBM a développé des microprocesseurs qui utilisent de l'air pour isoler les fils qui relient les centaines de millions de transistors entre eux (technologie de l'« air gap »). Cette innovation réduit les interférences électriques, augmente les performances du processeur et diminue la consommation d'énergie.
A plus long terme, le remplacement d'une interconnexion de cuivre par une interconnexion à base de carbone (nanotubes de carbone, graphène etc) permettrait de lever les verrous actuels.
b) Les courants de fuite
Comme il a été indiqué précédemment, l'épaisseur de l'oxyde de silice de la grille est désormais réduite à quelques couches atomiques, l'ordre de grandeur de la longueur d'onde des électrons dans le transistor. En conséquence, un flux d'électrons, courant parasite de grille dont l'intensité est exponentiellement proportionnelle à l'inverse de l'épaisseur de la grille, quitte le canal pour rejoindre la grille par l'effet tunnel à travers la fine couche d'oxyde qui demeure isolante. Ce courant parasite consomme de l'énergie même lorsque le transistor est au repos, échauffe et ralentit le composant. C'est une limitation intrinsèque à la réduction de la taille des transistors.
Pour lever ce verrou technologique, les chercheurs s'orientent d'une part vers le remplacement de la couche d'oxyde de silice par un matériau diélectrique de plus forte permettivité dit « high k » 13 ( * ) et, d'autre part, par le remplacement du matériau actuellement utilisé pour la grille (le polysicium dopé) par un métal qui a une résistivité plus faible et permet donc un déplacement plus rapide des électrons et une dissipation moindre d'énergie.
Selon les responsables d'IBM rencontrés par votre rapporteur sur ce sujet, la technologie développée par IBM combinant high k et metal gate permet de réduire les courants de fuite par 100. En outre, les performances des transistors seraient améliorées de 35 % tandis que la consommation d'énergie en état actif serait réduite de 45 %.
Le dernier processeur sorti sur le marché par Intel Corporation intègre ce type de matériaux dans le procédé de fabrication.
* 13 L'alliance IBM utilise l'oxyde d'hafnium.