Informatique
Le phosphure de niobium pourrait améliorer l'efficacité des centres de données en s'attaquant aux faiblesses des matériaux
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Besoin d'un nouveau conducteur pour les nanopuces
Lors de la production de puces informatiques avancées, l'accent technologique principal a été mis sur la réduction de la taille des transistors et la création de formes plus avancées de matériaux semi-conducteurs. C'est ce qui a été le moteur du succès d'entreprises comme TSMC (TSM ), qui atteignent désormais des nœuds de puce à l'échelle de 3 ou même 2 nm (nanomètres).
Cependant, à cette échelle, de nouveaux problèmes apparaissent, qui ne sont pas liés aux semi-conducteurs. L’un d’eux est que les matériaux conducteurs traditionnels comme le cuivre ne conduisent pas bien l’électricité lorsque le fil métallique devient trop fin.
Cela peut provoquer des points d’étranglement pour l’électricité à l’intérieur des puces, réduisant la puissance de calcul et l’efficacité globale, ainsi que provoquant une surchauffe.
C'est donc une nouvelle importante que des chercheurs de l'Université de Stanford, de l'Université Ajou de Suwon (Corée du Sud) et du Centre de recherche IBM Watson aient développé un matériau ultrafin qui conduit l'électricité mieux que le cuivre dans ces conditions.
Ils ont publié leur découverte dans la prestigieuse revue scientifique Science, intitulée «Conduction de surface et résistivité électrique réduite dans un semi-métal NbP ultra-mince non cristallin1 ».
Remplacement du cuivre dans l'informatique
En raison de son prix relativement bas et de son excellente conductivité électrique, le cuivre est le principal métal pour la connectivité électrique et constitue également un métal clé dans les batteries, les réseaux électriques, etc.
Cependant, en raison de la conductivité plus faible du cuivre à l'échelle nanométrique inférieure à 50 nm, les chercheurs recherchent depuis un certain temps des alternatives. Le problème est que les conducteurs connus fonctionnant à l'échelle nanométrique présentent des structures cristallines extrêmement précises, qui doivent être formées à très haute température.
Cela ne pourrait pas fonctionner pour les semi-conducteurs et les puces, car la température élevée détruirait les composants fragiles en silicium.
La course était donc lancée pour trouver un conducteur ultrafin qui ne dépendait pas de films monocristallins.
Phosphure de niobium
Les chercheurs ont travaillé avec du phosphure de niobium, un matériau connu pour ses propriétés électriques uniques, comme des électrons ultra-rapides et une magnétorésistance très élevée. Il est notamment déjà utilisé dans les applications laser et haute puissance/haute fréquence.
Le phosphure de niobium est appelé un semi-métal topologique : cela signifie que même si l'ensemble du matériau peut transporter l'électricité, la surface est plus conductrice que le milieu.
Pour simplifier un peu le concept, on peut dire que plus la couche de phosphure de niobium est fine, plus il y a de parties superficielles, avec presque pas de « milieu ». Par conséquent, on peut s’attendre à ce que plus le phosphure de niobium est fin, plus il devient conducteur.
Et c’est exactement ce qu’ont observé les chercheurs.
« On pensait que si nous voulions exploiter ces surfaces topologiques, nous aurions besoin de films monocristallins de qualité, très difficiles à déposer. Nous disposons désormais d’une autre classe de matériaux – ces semi-métaux topologiques – qui pourraient potentiellement servir à réduire la consommation d’énergie dans l’électronique. »
Il s’agit d’un domaine très nouveau, les physiciens n’ayant commencé à expérimenter des semi-métaux topologiques qu’en 2015. Et aucun film mince de moins de 5 nm n’avait été produit auparavant.
Température plus basse pour les applications informatiques
La température plus basse signifie que le phosphure de niobium est quelque peu désorganisé, avec seulement des nanocristaux dans une matrice amorphe.
Source: Rapport Stanford
Après une analyse plus approfondie, il apparaît que la conductivité élevée est due aux canaux conducteurs situés à la surface du film ultra-mince.
Le film peut être déposé à seulement 400°C (752°F), une température suffisamment basse pour ne pas endommager les transistors en silicium situés à proximité d'une puce informatique. Il s'agirait donc d'un matériau idéal pour connecter les composants internes d'une puce avec une faible résistance et, par conséquent, une faible production de chaleur.
« Si vous devez fabriquer des fils cristallins parfaits, cela ne fonctionnera pas pour la nanoélectronique.
Mais si vous pouvez les rendre amorphes ou légèrement désordonnés et qu’ils vous offrent toujours les propriétés dont vous avez besoin, cela ouvre la porte à des applications potentielles dans le monde réel. »
Yuri Suzuki – Professeur de physique appliquée
Haute conductivité
Comparé aux films classiques de phosphure de niobium, le film mince de 5 nm était 6 fois plus conducteur. Ce résultat était également inférieur à celui des métaux habituels comme le cuivre.
Avec une épaisseur de 1.5 nm, le matériau était deux fois plus conducteur que le cuivre.
Il s’agit donc véritablement du tout premier exemple de conducteurs non cristallins à basse température qui surpassent la conductivité des métaux normaux à l’échelle nanométrique.
Source: Rapport Stanford
« Les appareils électroniques à très haute densité nécessitent des connexions métalliques très fines, et si ces métaux ne conduisent pas bien, ils perdent beaucoup de puissance et d’énergie.
De meilleurs matériaux pourraient nous aider à dépenser moins d’énergie dans de petits fils et plus d’énergie dans les calculs eux-mêmes.
Eric Pop – Professeur de génie électrique
Les prochaines étapes
L’étape suivante consiste à tester sur une puce réelle l’efficacité du fil de phosphure de niobium lorsqu’il est appliqué à la nanoélectronique, non seulement en termes de conductivité, mais aussi de fiabilité et de la manière dont il peut être intégré dans le processus de fabrication.
Pour cela, ils devront d’abord construire un nanofil de phosphure de niobium à grande échelle.
Un autre travail sera de vérifier si ce concept ne pourrait pas être mieux porté par d'autres semi-métaux qui pourraient fonctionner encore mieux que le niobium.
« Pour que cette classe de matériaux soit adoptée dans l’électronique du futur, il faut qu’ils soient des conducteurs encore meilleurs. À cette fin, nous explorons des semi-métaux topologiques alternatifs. »
Xiangjin Wu, doctorant à Stanford
L’évacuation de la chaleur est désormais l’un des principaux processus consommateurs d’énergie dans ces centres de données, au même titre que le calcul lui-même. C’est particulièrement vrai pour les puces de 5 à 3 nm, nécessaires à l’entraînement de l’IA et aux calculs les plus complexes.
Ainsi, à long terme, les matériaux conducteurs à l’échelle nanométrique seront indispensables, car la production de chaleur devient un problème de plus en plus important pour les centres de données utilisant des puces avancées.
Il est également possible que les films ultraminces de phosphure de niobium trouvent d'autres applications dans les technologies avancées, en particulier là où ce matériau est déjà utilisé comme les équipements laser ou de télécommunications.
Investir dans des matériaux conducteurs avancés
À mesure que les puces avancées et les éléments semi-conducteurs deviennent plus petits, l'industrie se concentre sur une poignée de grands fabricants comme TSMC (TSM ), Intel (INTC ) or Nvidia (NVDA ) (suivez les liens pour les rapports dédiés à chacune de ces sociétés).
Vous pouvez investir dans des sociétés liées aux semi-conducteurs par l'intermédiaire de nombreux courtiers, et vous pouvez les trouver ici, sur titres.io, nos recommandations des meilleurs courtiers en Etats-Unis, Canada, Australie, au Royaume-Uni, ainsi que dans de nombreux autres pays.
Ou, si vous préférez une approche plus diversifiée, vous pouvez investir dans des ETF liés aux semi-conducteurs comme le Fonds négocié en bourse iShares Semiconductor (SOXX), le ETF VanEck sur les semi-conducteurs (SMH)ou de la Fonds négocié en bourse (ETF) Global X Semiconductor (SEMI).
Vous pouvez également en apprendre davantage sur la chaîne d'approvisionnement des équipements de fabrication de semi-conducteurs et sur les principales entreprises dans «Top 10 des stocks d’équipements de semi-conducteurs pour le support à la fabrication ».
Société de matériel informatique avancé
International Business Machines Corporation
(IBM )
International Business Machines Corporation (IBM) a été le principal acteur de la commercialisation du premier ordinateur central. Elle a également été le principal partenaire industriel des chercheurs de Stanford pour leur projet sur le phosphure de niobium.
L'entreprise est à la traîne par rapport au volume de production d'autres géants de la technologie comme Apple, TSMC et NVIDIA.
Elle est cependant à l’avant-garde du développement de nouveaux matériaux et technologies informatiques.
IBM est à la pointe du progrès dans le domaine des technologies de conduction, et les semi-métaux topologiques ne sont qu'un de ces domaines. Elle est donc à la pointe non seulement dans le domaine des nouveaux matériaux conducteurs ultrafins, mais aussi dans celui des supraconducteurs à haute température.
Ces supraconducteurs sont essentiels pour les ordinateurs quantiques. Récemment, IBM a développé « Condor », un processeur quantique à 1,121 XNUMX qubits supraconducteurs basé sur la technologie des portes à résonance croisée, associé à « Heron », un processeur quantique à la pointe du domaine.
IBM est impliqué dans la plupart des autres innovations de pointe dans le domaine de l'informatique et des semi-conducteurs. Il s'agit notamment matériaux organiques conducteurs, calcul neuromorphique, photonics, etc.
Dans une certaine mesure, IBM est devenue une « société de brevets » possédant une expertise dans le développement de nouvelles méthodes informatiques et l'octroi de licences à l'industrie.
Jusqu’à présent, IBM semble très déterminé à détenir autant de brevets clés que possible dans toutes les méthodes de calcul non basées sur le silicium, reproduisant ainsi son succès passé en contribuant massivement au développement de l’industrie des semi-conducteurs jusqu’au géant qu’elle est aujourd’hui.
Le phosphure de niobium et d’autres technologies liées aux semi-métaux topologiques s’intégreraient parfaitement dans cette stratégie, IBM développant la technologie pour remplacer le cuivre dans ces cas, puis la concédant sous licence aux grandes fonderies de puces pour les étapes de fabrication.
Référence de l'étude :
1. Khan, AI, et al. (2025). Conduction de surface et résistivité électrique réduite dans un semi-métal NbP non cristallin ultramince. Science, 387(62-67). https://doi.org/10.1126/science.adq7096
