Suivre la loi de Moore grâce aux substrats actifs et au calcul neuromorphique

Nouveaux semi-conducteurs nécessaires

L'industrie des semi-conducteurs n'a cessé de gagner en importance au cours des dernières décennies, passant des ordinateurs centraux industriels à un élément essentiel de pratiquement toutes les machines et appareils d'aujourd'hui.

Cette croissance est due à la complexité et à la miniaturisation croissantes des semi-conducteurs. Cependant, en raison des propriétés physiques fondamentales du silicium, les semi-conducteurs à base de silicium commencent à atteindre certaines limites.

Heureusement, le silicium n’est de loin pas le seul matériau présentant des propriétés semi-conductrices, c’est-à-dire la capacité de passer d’un état où il fonctionne comme un isolant (ne laissant pas circuler l’électricité) et un état conducteur (laissant circuler l’électricité).

De nouvelles recherches révèlent de nouvelles connaissances sur la physique fondamentale des matériaux semi-conducteurs innovants tels que le dioxyde de vanadium et sur les propriétés semi-conductrices jusqu'alors insoupçonnées du dioxyde de titane.

Le Une étude a été menée dans le cadre d'un effort de recherche multidisciplinaire mené par des chercheurs de l'Université d'État de Pennsylvanie, de l'Université Cornell, du Laboratoire national d'Argonne, de l'Institut de technologie de Géorgie et de l'Institut allemand Paul Drude d'électronique à l'état solide à Berlin.

Vanadium et loi de Moore

Ce qui fait du dioxyde de vanadium un candidat de choix pour la nouvelle technologie des semi-conducteurs est la capacité du vanadium à basculer entre le métal – l’état « 1 » – et l’isolant – l’état « 0 » – en seulement un temps. milliardième d'une seconde.

Il s’agit d’un phénomène connu sous le nom de « transitions métal-isolant ». La vitesse de transition métal-isolant devrait permettre une électronique plus rapide et plus petite par rapport à l’électronique classique à base de silicium.

Cela est essentiel si nous voulons que l'industrie des semi-conducteurs suive la loi de Moore.

Formulée en 1965, la loi de Moore est la loi empirique selon laquelle l'industrie des semi-conducteurs augmente le nombre de transistors sur une puce de 100 % tous les deux ans. Cela est resté vrai pendant des décennies, mais les limites fondamentales des puces en silicium signifient que de nouveaux types de matériaux seront bientôt nécessaires pour que cela reste vrai.

La loi de Moore est une application à l'industrie des semi-conducteurs de la loi de Wright de 1936, qui stipule que les coûts de fabrication diminuent jusqu'à 15 % pour chaque doublement de la production (initialement développée pour l'industrie aéronautique).

La loi de Wright s'intéresse davantage aux économies d'échelle et à l'efficacité industrielle lors de l'accélération de la production. La loi de Moore, quant à elle, concerne davantage l'innovation technologique et s'appuie sur les progrès de la compréhension de la physique fondamentale et de l'ingénierie à l'échelle nanométrique.

Nouvelles informations

Méthodes avancées

Jusqu’à présent, le dioxyde de vanadium n’a été analysé et observé que comme composant isolé. Bien qu’utile, cela limitait la compréhension de ce qui se passerait réellement dans un semi-conducteur reposant sur le dioxyde de vanadium.

Dans leur publication dans Advanced Materials ( "Imagerie spatio-temporelle in-Operando de l'élastodynamique couplée film-substrat lors d'une transition isolant-métal»), les chercheurs ont fait plusieurs nouvelles découvertes.

Ils ont utilisé la microscopie à diffraction des rayons X pour observer les changements en temps réel et avec précision au niveau atomique.

Et ils ont appliqué le dioxyde de vanadium sur un substrat de dioxyde de titane, comme s’il s’agissait d’une véritable puce semi-conductrice, au lieu de l’étudier de manière isolée.

Source: Matériaux avancés

Il s’agissait d’un projet colossal, l’étude elle-même ayant duré plus de 10 ans et impliquant de nombreuses équipes de recherche et une approche multidisciplinaire.

« En réunissant ces experts et en mettant en commun notre compréhension du problème, nous avons pu aller bien au-delà de notre champ d’expertise individuel et découvrir quelque chose de nouveau. » – Roman Engel-Herbert, directeur de l'Institut Paul Drude d'électronique à semi-conducteurs à Berlin

Mouvements Vanadium

Les chercheurs ont observé pour la première fois que le dioxyde de vanadium gonflait vers le haut lors du passage à un métal. Cela allait à l’encontre des prévisions théoriques selon lesquelles il diminuerait.

Source: Matériaux avancés

Ils ont découvert qu’un effet jusqu’alors insoupçonné dû à l’absence d’atomes d’oxygène était responsable du gonflement du matériau.

«Ces lacunes d'oxygène neutre contiennent une charge de deux électrons, qu'elles peuvent libérer lorsque le matériau passe d'un isolant à un métal. Le manque d’oxygène laissé derrière lui est maintenant chargé et gonfle, conduisant au gonflement surprenant observé dans l’appareil.

Pr. Venkatraman Gopalan, Université d'État de Pennsylvanie

Activité inattendue du substrat de titane

Un quasi-dogme dans la fabrication de semi-conducteurs est que seul le film mince de matériau semi-conducteur situé au-dessus du substrat est actif lorsqu'il est soumis à un courant. Le substrat lui-même est un matériau électriquement et mécaniquement passif.

Dans cette étude, les chercheurs ont découvert que ce n’était pas le cas pour les semi-conducteurs au dioxyde de vanadium.

Au lieu de cela, le dioxyde de titane, que l’on croyait inerte, gonfle également, à cause du même mécanisme impliquant des atomes d’oxygène manquants.

De plus, la couche supérieure de dioxyde de titane se comportait comme du dioxyde de vanadium, agissant également comme un semi-conducteur.

Cette nouvelle découverte sera cruciale pour la construction de prototypes de semi-conducteurs commerciaux au dioxyde de vanadium.

Applications

Des semi-conducteurs plus rapides et de meilleure qualité

Le dioxyde de vanadium est considéré comme un matériau très prometteur pour faire passer la technologie des semi-conducteurs au niveau supérieur, en raison de quelques caractéristiques fondamentales :

• L’isolation sur métal (IMT) se produit à une vitesse extrême d’un billionième de seconde, ouvrant la voie à des calculs ultra-rapides.
• Le dioxyde de vanadium a des effets électroniques fortement corrélés. En termes simples, cela signifie que la répulsion entre électrons ne peut être ignorée, comme c’est actuellement le cas dans l’électronique à base de silicium.
  • Cela ouvre à son tour les possibilités de nouvelles fonctionnalités telles que la supraconductivité à haute température et les propriétés magnétiques améliorées.

Calcul neuromorphique

La découverte du processus de rétroaction positive dû à l'ionisation des lacunes provenant des atomes d'oxygène manquants devrait réduire encore davantage le temps d'IMT.

Cela a des conséquences très importantes, car cela fait du dioxyde de vanadium potentiellement le matériau idéal pour un nouveau type de calcul appelé calcul neuromorphique.

L'informatique neuromorphique est une méthode dans laquelle des systèmes informatiques s'inspirent du cerveau de systèmes vivants dotés de neurones.

Cela diffère des réseaux de neurones actuellement utilisés par l’IA et les LLM qui tentent d’imiter les neurones, mais s’appuient toujours sur des transistors en silicium classiques et reposent principalement sur un apprentissage automatique basé sur un logiciel.

Ainsi, les puces neuromorphiques pourraient apprendre au niveau matériel. Et au lieu d’une sortie binaire (0 et 1), ils produiraient des pics de signal.

Source: Cible technologique

Grâce à sa transition isolant-métal très rapide, le dioxyde de vanadium avec un substrat actif de dioxyde de titane pourrait être utilisé pour créer Oscillateurs à pointes de type neurone Mott capable de répliquer au niveau matériel des neurones biologiques.

Aperçu

Les semi-conducteurs au dioxyde de vanadium, l'informatique neuromorphique et les oscillateurs à pointes de type neurone de Mott sont à la pointe de la science des matériaux et de la conception de semi-conducteurs, probablement au moins une décennie avant d'atteindre la viabilité commerciale.

C'est précisément au cours de cette décennie que nous devrions nous attendre à ce que les semi-conducteurs à base de silicium commencent à ne plus pouvoir maintenir la validité de la loi de Moore.

Rien dans la loi de Moore n'exige que les semi-conducteurs soient à base de silicium. Il s'agit plutôt d'une observation empirique : tant qu'il existe une demande pour des puces plus puissantes, les chercheurs continuent d'approfondir leurs connaissances en physique des semi-conducteurs à une échelle de plus en plus réduite.

Étant donné que nous étudions désormais les dioxydes de vanadium et de titane, en temps réel et au niveau atomique, il semble raisonnable de s’attendre à ce que la loi de Moore soit respectée et que des matériaux comme le vanadium constituent la prochaine étape dans la conception des semi-conducteurs.

Et bien sûr, d’autres méthodes informatiques innovantes pourraient également contribuer à maintenir la loi de Moore sur la bonne voie, comme la photonique ou l’informatique quantique.

Entreprises de semi-conducteurs avancés

1. Intel

Intel est un géant du secteur des semi-conducteurs et a évolué au fil des ans, passant du statut de fondateur de l'industrie à celui de leader scientifique et de l'innovation, perdant la première place en termes de volume de fabrication au profit d'entreprises comme TSMC de Taiwan.

Intel est un leader dans le domaine de l'informatique neuromorphique, notamment grâce à sa puce Loihi 2.

Source: Intel

Il a également créé le Communauté de recherche Intel Neuromorphic, qui comprend l'Université d'État de Pennsylvanie, impliquée dans ces récentes recherches sur le dioxyde de vanadium, ainsi que plus de 75 autres groupes de recherche.

Source: Intel

Intel est également très actif dans l'imitation du sens biologique en reproduisant le fonctionnement de notre cerveau (lui-même une branche de l'informatique neuromorphique), ce dont nous avons discuté plus loin dans notre article "Puces olfactives biomimétiques : l’intelligence artificielle et les nez électroniques sont-ils les prochains canaris dans une mine de charbon ? »

Dans l'ensemble, les recherches de Laboratoire Intel est à la pointe de l'innovation en matière de semi-conducteurs, notamment l'IA, l'informatique quantique, l'informatique neuromorphique, etc. (nous discutons des avancées d'Intel en matière d'informatique quantique dans notre article «L'état actuel de l'informatique quantique»).

2. IBM

Autre pionnier historique de l'informatique, des semi-conducteurs et de la conception de puces, Société internationale des machines de bureau (IBM) étudie également l'informatique neuromorphique.

Il se développe également SyNAPSE : calcul neurosynaptique évolutif et économe en énergie, soutenu par la Defense Advanced Research Programs Agency (DARPA), pour combiner « les nanosciences, les neurosciences et le supercalcul pour simuler et imiter les capacités du cerveau en matière de sensation, de perception, d'action, d'interaction et de cognition ».

Elle est également à la pointe du développement des ordinateurs quantiques. Par exemple, elle a développé son ordinateur quantique « Eagle » de 127 qubits, qui a été suivi par un système de 433 qubits appelé « Osprey » et le processeur quantique supraconducteur de 1,121 XNUMX qubits « Condor ».

Source: Tout sur les circuits

Avec Intel, IBM fait partie des entreprises qui militent le plus activement en faveur de nouvelles formes de technologies informatiques, comme l'informatique quantique et neuromorphique, et bénéficieront probablement des progrès réalisés dans la compréhension de la physique atomique fondamentale de matériaux comme le dioxyde de vanadium.