IBM Research a annoncé aujourd’hui une percée technologique majeure qui pourrait accélérer l’adoption de nanotubes de carbone pour remplacer les transistors en silicium à moyen terme.

Les chercheurs d’IBM ont démontré un nouveau moyen de réduire les contacts de transistors sans réduire les performances des dispositifs de nanotubes de carbone, ouvrant la voie à la création de circuits informatiques plus petits et plus puissants au-delà des capacités des semi-conducteurs traditionnels.

La percée d’IBM surmonte un obstacle majeur auxquels le silicium et les technologies de transistor à semi-conducteurs sont confrontés lors de la réduction d’échelle. Dans tout transistor, deux éléments font l’objet d’une telle réduction : le canal du transistor et ses deux contacts. Comme les appareils deviennent plus petits, la limite de taille pour les résistances de contact des nanotubes de carbone a entravé les gains de performances jusqu’à présent. Ces résultats pourraient surmonter la résistance de contact jusqu’à l’échelle de 1,8 nanomètre – soit quatre générations plus loin.

Des circuits réalisés en nanotubes de carbone pourraient grandement améliorer les capacités des ordinateurs haute performance, autorisant des analyses Big Data plus rapides, et d’augmenter la puissance et l’autonomie des batteries des appareils mobiles et de l’Internet des objets, et pouvant aboutir à des datacenters Cloud capables de fournir des services plus efficacement et économiquement.

Les transistors en silicium, ces minuscules interrupteurs qui transportent l’information sur un processeur, ont été réduits de génération en génération mais approchent la limite physique. Avec l’essoufflement de la loi de Moore, la diminution de la taille du transistor – y compris les canaux et les contacts qui le composent – sans compromettre la performance des processeurs a été un défi épineux qui occupe les chercheurs depuis des décennies.

IBM a déjà démontré que les transistors à base de nanotubes de carbone peuvent fonctionner comme d’excellents commutateurs avec une technologie de gravure inférieure à dix nanomètres, soit 10 000 fois plus fins qu’un cheveu humain et moins de la moitié de la technologie silicium actuelle. Cette nouvelle approche de contact d’IBM surmonte l’autre obstacle majeur à l’intégration des nanotubes de carbone dans des dispositifs semi-conducteurs, ce qui pourrait favoriser la création de processeurs plus petits avec de meilleures performances et une faible consommation d’énergie.

Cet été, IBM a dévoilé le premier circuit en silicium réalisé en 7 nanomètres, repoussant les limites de fabrication en silicium. En avançant dans la recherche sur les nanotubes de carbone pour remplacer les dispositifs classiques en silicium, IBM ouvre ainsi la voie à un avenir post-silicium et concrétise ainsi l’investissement annoncé en juillet 2014, de 3 milliards de dollars dans la recherche et développement.

«Ces innovations sont nécessaires pour répondre aux nouvelles demandes du cloud computing, de l’Internet des objets et des systèmes Big Data”, a déclaré Dario Gil, vice-président du département Science & Technology d’IBM Research. “Comme la technologie de silicium se rapproche de ses limites physiques, de nouveaux matériaux, dispositifs et architectures de circuits doivent être prêts à fournir les technologies de pointe qui seront nécessaires pour l’ère de l’informatique cognitive. Cette découverte montre que les processeurs en nanotubes de carbone arriveront plus tôt que ce que l’industrie avait prévu “.

De nouveaux contacts pour les nanotubes de carbone
Les nanotubes de carbone représentent une nouvelle classe de matériaux semi-conducteurs qui sont constitués de feuilles simples d’à peine un atome d’épaisseur enroulées sous forme de tube. Les nanotubes de carbone forment le noyau d’un transistor dont les propriétés électriques de qualité supérieure promettent plusieurs générations de fabrication au-delà des limites physiques du silicium.

En effet, au-delà de la réduction d’échelle, les électrons dans les transistors de carbone peuvent se mouvoir plus facilement que dans les dispositifs à base de silicium, et la composition ultra-mince des nanotubes de carbone offre des avantages supplémentaires à l’échelle atomique. Lorsque les transistors diminuent en taille, la résistance électrique augmente dans les contacts, ce qui entrave la performance. Jusqu’à présent, la diminution de la taille des contacts sur les circuits a entraîné une baisse proportionnelle de la performance – un défi pour les deux technologies de transistors à base de nanotubes de silicium et de carbone.

Les chercheurs d’IBM ont dû renoncer aux mécanismes de contact traditionnels et inventé un procédé métallurgique semblable à la soudure microscopique qui lie chimiquement les atomes métalliques et les atomes de carbone aux extrémités des nanotubes. Ce système autorise le passage sous les 10 nanomètres sans détérioration de leur performance. Selon Dario Gil, cette technologie promet d’être opérationnelle avant la fin de la décennie.