Informatique
L'ordinateur CMOS 2D ouvre une nouvelle ère d'alternatives au silicium
Dans le monde de la technologie des semi-conducteurs, qui constitue la base de l’électronique moderne, le silicium (Si) est le matériau le plus largement utilisé.
Deuxième élément le plus abondant sur Terre après l'oxygène, le silicium a permis des avancées technologiques dans le domaine des semi-conducteurs grâce à la miniaturisation. Des microprocesseurs à l'automatisation, en passant par les ordinateurs, les smartphones et les véhicules électriques, il a permis des avancées majeures dans l'électronique en réduisant considérablement la taille des appareils.
Mais aujourd'hui, les défis liés à la mise à l'échelle rendent nécessaire l'exploration de nouveaux matériaux. À cet égard, les matériaux bidimensionnels (2D) offrent un potentiel de progrès sans précédent en matière de performances des dispositifs à l'échelle atomique.
Les matériaux 2D sont des nanomatériaux ultrafins constitués d'une seule couche d'atomes. Ils présentent un degré élevé d'anisotropie et de fonctionnalité chimique, et leurs propriétés électroniques intéressantes les rendent utilisables dans un large éventail d'applications. Le graphène est un matériau 2D populaire.
Grâce à leur épaisseur atomique et à la grande mobilité de leurs porteurs, les matériaux 2D offrent une alternative prometteuse. Des progrès significatifs ont également été réalisés dans la croissance à l'échelle des plaquettes, les transistors à effet de champ (FET) hautes performances et les circuits basés sur ces matériaux.
Un transistor à effet de champ (TEC) est un type de transistor qui utilise un champ électrique pour contrôler le courant traversant un semi-conducteur. Composant électronique essentiel de l'électronique moderne, il agit comme un interrupteur commandé dans les circuits d'alimentation haute tension et haute fréquence.
Bien que de nombreux progrès aient été réalisés, la réalisation métal-oxyde-semi-conducteur complémentaire (CMOS) l’intégration reste un défi.
Le CMOS est une technologie utilisée dans la fabrication de circuits intégrés, notamment dans les processeurs d'ordinateurs, les puces mémoire et autres appareils numériques. Il permet de réguler le flux électrique à travers ces composants, ce qui est essentiel à leur bon fonctionnement.
Notamment, le CMOS utilise à la fois des transistors de type n (NMOS) et de type p (PMOS) de manière complémentaire pour réaliser des fonctions logiques.
Les transistors de type N conduisent l'électricité en utilisant des électrons chargés négativement comme porteurs de charge primaires et permettent la circulation du courant. Dans les transistors de type P, la majorité des porteurs de charge sont des trous (charges positives) et permettent la circulation du courant de l'alimentation vers la sortie.
Dans le CMOS, le terme métal-oxyde-semiconducteur désigne les matériaux utilisés dans la construction des transistors : métal pour la grille, oxyde pour l'isolation et semi-conducteur en silicium pour le canal.
La puissance du CMOS réside dans sa capacité à créer des circuits électroniques complexes sur une seule puce semi-conductrice. De plus, les transistors CMOS consomment moins d'énergie que les autres technologies, car ils ne consomment de l'énergie que lors des commutations entre états (marche/arrêt). De plus, les circuits CMOS sont réputés pour leur grande fiabilité.
Désormais, des chercheurs de Penn State ont surmonté le défi d’intégrer le CMOS aux matériaux 2D.
Ils ont développé un ordinateur 2D à un jeu d'instructions basé sur la technologie CMOS. Il exploite l'intégration hétérogène de transistors à effet de champ de grande surface en MoS2 de type n et en WSe2 de type p.
L'équipe a pu obtenir des courants d'attaque élevés et réduire les fuites sous le seuil en adaptant les tensions de seuil pour les FET 2D de type n et p. Cela a été possible en adaptant la longueur du canal, ce qui a nécessité l'intégration d'un diélectrique de grille à κ élevé et l'optimisation de la croissance du matériau et du post-traitement du dispositif.
Cela a permis un fonctionnement du circuit en dessous de 3 V avec une fréquence de fonctionnement allant jusqu'à 25 kHz ainsi qu'une consommation d'énergie ultra-faible de l'ordre du picowatt et une énergie de commutation d'environ 100 pJ.
L'ordinateur CMOS 2D de Penn State repousse les limites atomiques
Le silicium est le leader de la technologie des semi-conducteurs, mais contrairement à cet élément chimique, les matériaux 2D d'une épaisseur d'un atome sont capables de conserver leurs propriétés à cette échelle.
Après avoir été à l’origine de « progrès remarquables dans l’électronique pendant des décennies en permettant la miniaturisation continue des transistors à effet de champ (FET) », le silicium est confronté à un défi majeur : rendre les appareils encore plus performants et plus petits.
« À mesure que les dispositifs en silicium rétrécissent, leurs performances commencent à se dégrader », a noté le responsable de l'étude, Saptarshi Das, qui est professeur d'ingénierie Ackley et professeur de sciences de l'ingénierie et de mécanique à Penn State.
En revanche, les matériaux 2D conservent leurs propriétés électroniques exceptionnelles même à leur épaisseur atomique, « offrant ainsi une voie prometteuse ». C'est pourquoi, dans le cadre de ce travail pionnier, l'équipe de chercheurs a utilisé des matériaux 2D pour développer un ordinateur capable d'effectuer des opérations simples.
Publié dans Nature1, l'étude, soutenue en partie par l'Office of Naval Research, l'Army Research Office et la National Science Foundation des États-Unis, a détaillé le grand pas en avant dans la réalisation d'appareils électroniques plus fins, plus rapides et plus économes en énergie.
Comme indiqué précédemment, ils ont créé un ordinateur CMOS sans silicium, un métalloïde tétravalent aux propriétés intermédiaires entre celles des métaux et celles des non-métaux. Les chercheurs l'ont remplacé par deux matériaux 2D différents pour développer les deux types de transistors nécessaires aux ordinateurs CMOS pour contrôler le flux électrique.
Pour les transistors de type n, ils ont utilisé du disulfure de molybdène (MoS2), une classe de matériaux inorganiques à base de dichalcogénures de métaux de transition 2D (TMDC) présentant un faible coefficient de frottement, une excellente stabilité thermique et une résistance élevée à l'usure, sous réserve de conditions spécifiques.
Pour les transistors de type p, on utilise du diséléniure de tungstène (WSe2). Ce composé inorganique présente une structure cristalline hexagonale similaire à celle du disulfure de molybdène et est connu pour ses propriétés électroniques uniques, notamment une grande mobilité des porteurs, une bande interdite importante et un remarquable rapport on/off.
La technologie CMOS nécessite la combinaison de semi-conducteurs de type N et de type P pour atteindre des performances élevées avec une faible consommation d'énergie. Cependant, cela constitue un obstacle majeur aux efforts visant à dépasser le silicium.
Et même si des études ont montré que les petits circuits à base de matériaux 2D peuvent être mis à l’échelle pour former des ordinateurs complexes et fonctionnels, cet exploit n’a pas encore été atteint.
Selon les chercheurs, c'est là l'avancée clé de leurs travaux. Pour la première fois, ils ont construit un ordinateur CMOS entièrement à partir de matériaux 2D, combinant des transistors en bisulfure de molybdène et en diséléniure de tungstène de grande surface.
Pour fabriquer le transistor, l'équipe a utilisé un procédé appelé dépôt chimique en phase vapeur organométallique (MOCVD). Ce procédé consiste à vaporiser les ingrédients, ce qui provoque une réaction chimique et dépose les produits sur un substrat.
Grâce au procédé MOCVD, l’équipe a produit de grandes feuilles de disulfure de molybdène et de diséléniure de tungstène et a fabriqué plus de 1,000 XNUMX transistors de chaque type.
Ensuite, grâce à des modifications minutieuses dans la fabrication et le post-traitement des dispositifs, l'équipe a pu ajuster les tensions de seuil des transistors de type n et p, permettant ainsi le développement de circuits logiques CMOS entièrement fonctionnels.
Selon Subir Ghosh, premier auteur de l’étude et doctorant en sciences de l’ingénieur et en mécanique :
« Notre ordinateur CMOS 2D fonctionne à de faibles tensions d'alimentation avec une consommation d'énergie minimale et peut effectuer des opérations logiques simples à des fréquences allant jusqu'à 25 kilohertz. »
Bien que cette fréquence de fonctionnement soit faible par rapport à celle des circuits CMOS en silicium conventionnels, Ghosh a noté que leur ordinateur est toujours capable d'effectuer des opérations logiques simples.
Nous avons également développé un modèle informatique, calibré à partir de données expérimentales et intégrant des variations entre les appareils, afin de projeter les performances de notre ordinateur CMOS 2D et de le comparer aux technologies silicium de pointe. Bien qu'il reste encore des possibilités d'optimisation, ce travail marque une étape importante dans l'exploitation des matériaux 2D pour faire progresser l'électronique.
- Ghosh
Bien qu'il s'agisse d'une grande avancée, le travail n'est pas encore terminé. Des recherches supplémentaires sont nécessaires pour développer l'approche informatique CMOS 2D et en élargir l'utilisation. Cependant, Das a souligné la rapidité des progrès réalisés dans ce domaine par rapport à la technologie silicium.
La technologie du silicium est en développement depuis environ 80 ans, mais la recherche sur les matériaux 2D est relativement récente, n'ayant véritablement débuté qu'aux alentours de 2010. Nous pensons que le développement des ordinateurs 2D utilisant des matériaux sera lui aussi progressif, mais il s'agit d'un bond en avant par rapport à la trajectoire du silicium.
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Construction de micropuces avec des matériaux 2D à grande échelle
Il y a quelques mois, des scientifiques chinois ont également signalé développer une micropuce2 utilisant du disulfure de molybdène. La puce comporte 5,931 XNUMX transistors, chacun d'une épaisseur de trois atomes.
Les scientifiques pensent que le disulfure de molybdène (MoS2) permet la poursuite de La loi de Moore une fois que le silicium ne sera plus en mesure de fournir de nouveaux progrès.
« Bien que les matériaux 2D soient largement préconisés depuis plus d'une décennie, la véritable limitation à leur développement actuel ne réside pas dans les performances d'un seul appareil, car de nombreux appareils électroniques 2D fonctionnent très bien au niveau du laboratoire. »
– Wenzhong Bao, professeur à l'Université de Fudan
La praticité des matériaux 2D est remise en question en raison du « manque d’un système technologique intégré qui soit évolutif, reproductible et compatible avec les processus industriels », a-t-il ajouté.
L'équipe a donc créé une nouvelle micropuce appelée RV32-WUJI. Elle comprend près de 6,000 2 transistors MoSXNUMX fabriqués à l'aide des technologies CMOS conventionnelles, marquant ainsi la transition de la recherche en laboratoire vers des applications d'ingénierie système.
La puce est dotée d'une architecture RISC-V capable d'exécuter des instructions 32 bits standard. Le nouveau processeur repose sur un substrat en saphir isolant qui sépare électroniquement les transistors. Une bibliothèque de cellules standard a également été développée pour le RV32-WUJI, contenant 25 types d'unités logiques pour exécuter des fonctions de base. Pour optimiser chaque étape du processus, l’équipe a utilisé l’apprentissage automatique.
Les chercheurs ont atteint un rendement de fabrication de 99.77 %. La puce ne consomme que 0.43 milliwatt d'énergie lors des opérations arithmétiques.
Si puces de silicium Dotés de transistors des millions de fois plus nombreux et de fréquences de fonctionnement tout aussi rapides que le nouveau dispositif, Bao a expliqué que ces nouveaux travaux sont réalisés en laboratoire, contrairement aux semi-conducteurs à base de silicium, qui ont fait l'objet d'investissements considérables en R&D au cours des dernières décennies. Si l'industrie adopte les semi-conducteurs 2D, « nous pensons que le rattrapage des performances des semi-conducteurs à base de silicium sera plus rapide que prévu », a-t-il ajouté.
Le matériau actif 2D, le disulfure de molybdène (MoS2), a également récemment reçu une mise à niveau en platine (Pt) au niveau atomique dans un nouvelle étude3 menée par l'Université de Vienne et l'Université de technologie de Vienne.
Les chercheurs ont intégré des atomes de Pt individuels sur une monocouche ultrafine de MoS2 et, pour la première fois, ont identifié leurs positions exactes au sein du réseau avec une précision atomique grâce à une approche innovante.
Leur approche, qui intègre la création de défauts ciblés dans la monocouche de MoS2, le dépôt contrôlé de platine et une technique d'imagerie microscopique computationnelle à contraste élevé, offre, selon les chercheurs, de nouvelles voies pour comprendre et concevoir des caractéristiques à l'échelle atomique dans des systèmes 2D.
Au-delà du CMOS : matériaux hybrides 2D et voies quantiques
Les chercheurs recherchent depuis longtemps de nouveaux matériaux pour remplacer le silicium dans l'électronique de nouvelle génération. Ces matériaux doivent offrir des performances supérieures et une consommation énergétique réduite, tout en étant évolutifs, ce qui tend à les orienter vers des matériaux 2D.
Un travail multi-institutionnel codirigé par le MIT il y a quelques années en fait atteint Il a réalisé deux percées techniques et a également été le premier à signaler que sa méthode, les dichalcogénures de métaux de transition (TMD), pour développer des matériaux semi-conducteurs, rendrait les dispositifs plus rapides et plus économes en énergie.
Pour créer les nouveaux matériaux, l’équipe a dû surmonter trois défis à l’échelle de la plaquette ou à grande échelle : garantir la monocristallinité, les hétérostructures verticales et empêcher une épaisseur non uniforme.
Contrairement aux matériaux 3D, qui subissent un processus de rugosité et de lissage pour obtenir une surface uniforme, les matériaux 2D ne permettent pas ce processus, ce qui produit une surface irrégulière. Il est donc difficile de produire un matériau 2D uniforme, de haute qualité et à grande échelle.
L'équipe a donc construit une structure confinée qui favorise le contrôle cinétique des matériaux 2D, ce qui a non seulement résolu tous les défis, mais a également nécessité une croissance d'ensemencement auto-définie pendant une période de croissance plus courte.
L’autre avancée technique a été la présentation de TMD à hétérojonction à domaine unique à grande échelle, couche par couche.
La recherche sur les matériaux 2D est en constante expansion, les scientifiques essayant constamment de débloquer de nouvelles fonctionnalités pour un avenir plus avancé.
Il y a quelques semaines à peine, des scientifiques des matériaux de l'Université Rice ont créé un véritable hybride 2D4 en intégrant chimiquement du graphène et du verre de silice, deux matériaux 2D fondamentalement différents, dans un seul composé appelé glaphène.
Selon le premier auteur de l’étude, Sathvik Ajay Iyengar :
« Les couches ne reposent pas simplement les unes sur les autres : les électrons se déplacent et forment de nouvelles interactions et de nouveaux états vibratoires, donnant naissance à des propriétés qu'aucun matériau ne possède seul. »
Dans le cadre de cette initiative transcontinentale, une méthode en deux étapes et à réaction unique a été développée pour faire croître le glaphène à l'aide d'un précurseur chimique liquide contenant du carbone et du silicium. L'ajustement des niveaux d'oxygène pendant le chauffage a permis de faire croître le graphène, puis de modifier les conditions en faveur de la formation de la couche de silice.
Notamment, la méthode peut être appliquée à une large gamme de matériaux 2D, ouvrant la porte au développement de matériaux 2D sur mesure pour l’électronique de nouvelle génération et les dispositifs quantiques.
Les scientifiques coréens ont également utilisé des matériaux semi-conducteurs 2D pour découvrir un nouvel état quantique5 qui peut alimenter des ordinateurs quantiques plus stables. Le nouvel état quantique découvert peut également être exploité dans une puce semi-conductrice 2D pour contrôler l'information quantique de manière plus fiable.
Les matériaux minuscules sont à l'origine de grandes avancées dans l'informatique quantique depuis un certain temps déjà, et les dernières recherches de l'Institut des sciences et technologies de Daegu Gyeongbuk (DGIST) ouvrent la voie à de nouveaux dispositifs reconfigurables pour le stockage de données.
Nous avons découvert un nouvel état quantique, appelé état de synthèse exciton-Floquet, et proposé un mécanisme inédit d'intrication quantique et d'extraction d'information quantique. Cela devrait faire progresser la recherche en informatique quantique dans le domaine des semi-conducteurs bidimensionnels.
- Jaedong Lee de DGIST
L'année dernière, des scientifiques de la JMU Würzburg et de la TU Dresden, quant à eux, en réponse un revêtement protecteur pour les matériaux quantiques 2D pour les protéger des influences environnementales sans compromettre leurs propriétés révolutionnaires.
Les scientifiques avaient précédemment découvert que les semi-conducteurs quantiques extrêmement fins nécessitent un équipement de vide sophistiqué et un substrat spécifique. L'utilisation de matériaux 2D dans les composants électroniques implique de les soustraire du vide, mais une exposition même brève à l'air entraîne leur oxydation et détruit leurs propriétés, les rendant ainsi inutilisables.
L'équipe a donc cherché une méthode pour protéger la couche sensible des éléments environnementaux grâce à un revêtement protecteur. Après deux ans, le succès a été au rendez-vous. L'équipe a utilisé des outils de pointe sous ultravide pour expérimenter le chauffage du carbure de silicium comme substrat pour l'indénène.
L'équipe voit cela ouvrir la voie à des applications impliquant des couches atomiques semi-conductrices extrêmement sensibles. L'équipe identifie actuellement d'autres matériaux de van der Waals pouvant servir de couches protectrices.
Investir dans la technologie des semi-conducteurs 2D
Nous travaillons activement à relever les défis liés à la réduction des dimensions des transistors, Applied Materials (AMAT ) joue un rôle majeur dans le développement et la mise à l'échelle des semi-conducteurs 2D. C'est l'une des rares entreprises à pouvoir assurer la transition industrielle vers la production de semi-conducteurs 2D grâce à équipement de fabrication et la chimie des procédés.
La performance du marché d'Applied Materials, dont la capitalisation boursière est de 137 milliards de dollars, révèle également une forte tendance à la hausse.
Applied Materials (AMAT )
Actuellement, l'action Applied Materials s'échange à 170.50 $, en hausse de 4.9 % depuis le début de l'année et en baisse de seulement 33.6 % par rapport à son record historique de l'été dernier. Son BPA (sur les trois derniers mois) s'élève à 8.21, son PER (sur les trois derniers mois) à 20.78, et son rendement du dividende est de 1.08 %.
En ce qui concerne les finances de l'entreprise, Applied Materials a déclaré un chiffre d'affaires de 7.10 milliards de dollars, soit une augmentation de 7 % en glissement annuel, pour le deuxième trimestre clos le 27 avril 2025.
Cette « excellente performance » a été réalisée « malgré un environnement économique et commercial dynamique », a déclaré Brice Hill, vice-président principal et directeur financier. L'entreprise n'a également signalé aucune évolution significative de la demande des clients.
(AMAT )
Sa marge brute GAAP s'élevait à 49.1 % et sa marge brute non GAAP à 49.2 %, tandis que le BPA GAAP a bondi de 28 % à 2.63 $ et le BPA non GAAP de 14 % à 2.39 $. Au cours de cette période, la société a généré 1.57 milliard de dollars de trésorerie d'exploitation et distribué 2 milliards de dollars aux actionnaires sous forme de 325 millions de dollars de dividendes et de 1.67 milliard de dollars de rachats d'actions.
« Les vastes capacités d'Applied Materials et son portefeuille de produits connectés génèrent de solides résultats en 2025 dans un environnement macroéconomique très dynamique. »
– PDG Gary Dickerson
Il a souligné que l’informatique IA haute performance et économe en énergie restait le principal moteur de l’innovation dans le domaine des semi-conducteurs.
Actualités et développements récents sur les actions d'Applied Materials (AMAT)
Conclusion
En construisant les premiers ordinateurs CMOD fonctionnels au monde entièrement à partir de matériaux 2D ultra-minces, les chercheurs ont non seulement remis en question la domination de longue date du silicium dans l'électronique, mais ont également présenté une solution au problème existant consistant à rendre les appareils électroniques plus petits, plus rapides et meilleurs.
Plus de 2,000 XNUMX transistors fabriqués par l’équipe sont capables d’exécuter des opérations logiques sur un ordinateur, ce qui élimine le besoin de silicium traditionnel.
Bien qu'elle n'en soit qu'à ses balbutiements, cette avancée laisse entrevoir un avenir prometteur où des appareils électroniques hautes performances, plus économes en énergie et plus fins, alimentés par des matériaux d'une épaisseur d'un seul atome, deviendront la nouvelle réalité.
Études référencées :
1. Ghosh, S.; Zheng, Y.; Rafiq, M.; et al. Un ordinateur complémentaire à un jeu d'instructions basé sur un matériau bidimensionnel. Nature 2025 642 (12), 327-335. https://doi.org/10.1038/s41586-025-08963-7
2. Ao, M. ; Zhou, X. ; Kong, X. ; et al. Un microprocesseur RISC-V 32 bits basé sur des semi-conducteurs bidimensionnels. Nature 2025, 640 (17), 654–661. https://doi.org/10.1038/s41586-025-08759-9
3. Li, J. ; Yuan, Y. ; Cao, W. ; Deng, B. ; Li, C. ; Cheng, Z. ; Wang, H. ; Hu, W. ; Xu, HQ ; Wang, L. Jonctions PN programmables dans les transistors semi-conducteurs bidimensionnels. Nano Lett. 2025, 25 (12), 5049–5056. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c00919
4. Iyengar, SA ; Tripathi, M. ; Srivastava, A. ; Biswas, A. ; Gris, T. ; Terrones, M. ; Dalton, AB ; Pimenta, MA ; Vajtai, R. ; Meunier, V. ; Ajayan, P. M. Glaphene : Une hybridation de verre de silice 2D et de graphène. Av. Maître. 2025, publié en ligne le 28 mai 2025. https://doi.org/10.1002/adma.202419136
5. Park, H. ; Park, N. ; Lee, J. Nouveaux états quantiques des composites exciton-floquet : intrication électron-trou et information. Nano Lett. 2024, 24 (42), 13192–13199. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c03100
