Depuis qu’une équipe de chercheurs d’IBM a annoncé en octobre 2012 avoir créé une nouvelle technique de fabrication des circuits semi-conducteurs à partir de nanotubes de carbone (NTC), les observateurs parlent du déclin anticipé du silicium. Pourtant, l’industrie et les analystes financiers doivent encore désigner le grand vainqueur.
« Les nanotubes ont du potentiel », déclare Pallavi Madakasira, qui dirige la recherche sur l’énergie en électronique chez Lux Research, cabinet d’analyse basé à Boston (USA) spécialisé dans les technologies émergentes. « Le silicium atteint clairement ses limites en termes de performance. L’approche d’IBM est prometteuse, mais encore faut-il l’adapter à la production et exploiter l’équipement actuellement utilisé dans la fabrication de semi-conducteurs. »
Les investissements dans les nanotechnologies sont solides et gagnent du terrain. Lux Research estime que les ventes mondiales de produits utilisant des composants nanotechnologiques atteindront US$2,4 trillion d’ici 2015. Les financements publics des nanotechnologies progressent dans le monde entier selon les analystes du cabinet Cientifica basé à Londres, spécialisé dans les nanotechnologies, les nouveaux matériaux, les sciences de la vie et les Big Data. Les gouvernements japonais et américain représentent les plus gros investisseurs, suivis par la European Nanotechnology Trade Alliance (ENTA), la Chine, Singapour, la Corée du Sud et Taïwan.
INFORMATIQUE NOUVELLE GÉNÉRATION
Le silicium est bon marché, abondant, facile à travailler et constitue depuis un demi-siècle le cœur matériel du monde numérique. Depuis que le cofondateur d’Intel, Gordon Moore, a énoncé en 1965 la loi de Moore selon laquelle le nombre de transistors par circuit en silicium de même taille doublerait tous les 18 à 24 mois, l’industrie s’est surprise elle-même en y parvenant. La taille des transistors a tellement diminué que leurs dimensions se mesurent presque en atomes.
« Avec un peu de chance, nous pourrons avoir une informatique éco-énergétique. »
Wilfried Haensch
Responsable de la Physique et des Matériaux pour la Logique et les Communications, IBM
Si la taille des transistors continue de diminuer, la conductivité du silicium à une si petite échelle atteint ses limites. Les transistors actuels ont besoin d’environ un volt pour changer un bit de 0 à 1. La commutation génère de la chaleur et celle-ci limite la compression des structures sur la puce. C’est pourquoi la fréquence d’horloge – temps nécessaire à un transistor en silicium pour changer un 1 en 0 – a atteint son apogée il y a dix ans.
Pour compenser cette fréquence d’horloge désormais limitée, les ingénieurs ont mis au point l’informatique parallèle, par exemple des smartphones « quadricœurs », dotés de quatre processeurs qui séparent et traitent simultanément les tâches. Mais pour les spécialistes, le silicium atteindra bientôt ses limites. On comprend mieux l’engouement suscité par IBM lorsqu’il a annoncé dans le journal Nature Nanotechnology que ses recherches ont démontré la viabilité pratique des NTC comme solution alternative au silicium.
L’équipe d’IBM du centre de recherche T.J. Watson à Yorktown Heights, New York, est la première à avoir disposé les NTC en tranchées sur la surface d’une plaquette de silicium pour fabriquer une puce contenant plus de 10 000 transistors. Cela peut sembler peu, quand on sait qu’une puce peut aujourd’hui contenir plus d’un milliard de transistors, soit 100 000 fois ce qu’IBM a atteint avec ses NTC. Néanmoins, cette avancée prouve que les NTC peuvent être organisés en circuits, ce qui permettrait de fabriquer des processeurs plus petits, moins énergivores et générant moins de chaleur, dès lors que la conductivité des NTC présente moins de résistance que le silicium.
« Pour l’instant, le remplacement du silicium occupe le devant de la scène », affirme Wilfried Haensch, responsable de la physique et des matériaux pour les circuits logiques et les communications chez IBM, qui décrit son rôle de chercheur comme « un guide amenant son équipe à développer un projet susceptible de devenir un jour une technologie ».
UN NID D’ABEILLES MICROSCOPIQUE
Les NTC sont composés d’un feuillet formé d’atomes de carbone organisés selon une matrice hexagonale, roulée en un cylindre présentant une structure semblable à un nid d’abeilles microscopique. Ils possèdent des propriétés semi-conductrices impressionnantes et transportent efficacement les électrons, mais le défi redoutable est d’organiser les tubes en de parfaits circuits sur la surface d’une puce.
Une équipe de huit chercheurs d’IBM a mis au point un procédé chimique « d’auto-assemblage », premier succès pour organiser les tubes selon un schéma prédéfini sur la puce. Pour faire simple, ce procédé multi-étapes complexe fonctionne selon le même procédé électrostatique qu’une imprimante laser. « C’est fou que cela fonctionne, mais ne soyez pas dupes ; il faut les bonnes molécules. C’est le secret de la potion magique », explique W. Haensch.
Avec ses 10 000 transistors fonctionnels, IBM a atteint une densité de puce d’un milliard de nanotubes par centimètre carré. Si cette densité est insuffisante pour remplacer le silicium traditionnel, elle est 100 fois supérieure à celle obtenue lors du précédent essai ; ce qui explique l’optimisme quant à la possibilité de remplacer rapidement le silicium. « Avec un peu de chance, nous pourrons avoir une informatique éco-
énergétique », ajoute W. Haensch.
IBM s’attache maintenant à affiner la pureté du matériau afin d’optimiser ses propriétés semi-conductrices et d’élaborer de nouvelles méthodologies permettant de contrôler cette pureté. D’après W. Haensch, « le dispositif est facile à construire, mais difficile à mesurer. Il nous faut une méthode simple et efficace, mais elle n’existe pas encore ».
L’équipe doit également peaufiner l’exactitude et la précision des méthodologies de placement des nanotubes. L’objectif de W. Haensch est de mettre au point une nouvelle technologie qui fonctionne dans un environnement de nanosystèmes d’ici 2020.
LA COURSE AU SUBSTITUT
Le silicium n’a pourtant pas dit son dernier mot. La taille des transistors continue de diminuer et les fabricants de puces sont prêts pour les prochaines générations. « La technologie du silicium ne dort pas », explique W. Haensch. « Elle va évoluer elle aussi. »
Par exemple, un groupe de chercheurs de l’université de Nouvelle-Galles du Sud a confirmé ses pronostics, annonçant que les transistors en silicone atteindront l’échelle atomique d’ici 2020. Intel, fabricant mondial de semi-conducteurs, travaille sur son plus petit transistor – 14 nanomètres – une échelle proche de la manipulation d’atomes isolés.
David Carroll, directeur du centre de nanotechnologie et matériaux moléculaires de l’université de Wake Forest en Caroline du Nord, salue les recherches d’IBM, mais modère ses attentes. « C’est un jalon important, mais il y a encore beaucoup à faire. » Selon lui, plusieurs décennies seront nécessaires pour que les puces à nanotube soient commercialisées, même si l’on arrive à surmonter tous les obstacles techniques.
D. Carroll pense que les NTC ne sont peut-être pas la première technologie commercialement viable qui remplacera le silicium. Les nanotubes n’ont même pas été abordés en 2013 lors des séminaires à la prestigieuse Kirchberg Winter School en Autriche, et c’est le graphène qui a été désigné comme le nouveau « super matériau ». D’autres options suggèrent la photonique sur silicium, qui transmet les informations par la lumière. Par ailleurs, la recherche continue à explorer les ordinateurs à ADN, qui utilisent des fragments d’ADN pour résoudre des problèmes spécifiques. Les chercheurs s’intéressent également à ce qu’Einstein appelait « l’effrayante » informatique quantique.
Pour sa part, P. Madakasira se passionne pour le nitrure de gallium, un matériau dur et stable à la conductivité et à la capacité thermiques élevées, utilisé dans les LED (diodes électroluminescentes) depuis les années 90.
L’ATTRAIT DES OPTIONS
Alors que les perspectives d’avenir de la technologie du silicium s’assombrissent, les possibilités d’utilisation sont de plus en plus nombreuses. D. Carroll cite la recherche sur les dispositifs biologiques utilisés pour réparer des organes humains et les réseaux neurologiques qui permettent de commander une prothèse ou même un clavier avec le cerveau. D’ailleurs, le Nanocenter de D. Carroll a annoncé récemment la mise au point par ses chercheurs d’un nouveau tissu qui génère de l’énergie à partir de la chaleur et du mouvement du corps humain.
Selon D. Carroll, au-delà des NTC, ce qui stimule le marché, c’est d’avoir le choix. « Cette urgence est traduite sur le marché par le besoin d’un nouveau matériau », explique-t-il. « Mais ce qu’il faut y voir en réalité, c’est la volonté de croissance soutenue des nouvelles applications électroniques. »
