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1. Repenser l'architecture des circuits et des composants

ALEXANDRA CHAVAROT ET MATHIEU BRISOU redaction@industrie-technologies.com

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Il faut partir d'une feuille blanche, ou presque. Pour améliorer l'efficacité énergétique des produits électroniques, repenser la conception et l'architecture des circuits et des processeurs, transistors, puces et substrats en fonction de cet impératif est essentiel. Une voie explorée tous azimuts par les poids lourds du secteur. Explications.

Traiter des masses de données de plus en plus importantes, réaliser de plus en plus vite des calculs de plus en plus complexes, le tout en réduisant les consommations énergétiques... Posé ainsi, le problème auquel font face les professionnels de l'électronique paraît insoluble. Mais c'est sans compter les progrès dans l'architecture et le fonctionnement des circuits et des composants qui les constituent.

Ainsi, le suivi en temps réel des besoins permet de doser la tension appliquée au circuit, de réguler la fréquence d'horloge et de contrôler la polarisation de la face arrière des transistors. Quant à la consommation liée aux courants de fuite, elle peut être limitée par l'introduction de blocages dans l'architecture du circuit, en se basant sur la modélisation du fonctionnement du transistor.

Technologie de rupture, l'opto-électronique vise quant à elle à remplacer les traditionnelles interconnexions électriques par des liaisons optiques. Une voie qui fait disparaître les contraintes liées à l'échauffement et permet d'optimiser l'exploitation de la puissance des processeurs.

Opter pour une structure planaire ou tridimensionnelle

Les processeurs multicoeurs constituent une autre voie prometteuse, grâce à leur capacité à adapter leur régime aux besoins, notamment en termes de puissance de calcul. En combinant plusieurs coeurs, fonctionnant ou non simultanément, et en ajustant la tension et la fréquence, la puissance de traitement est augmentée et la consommation énergétique réduite, jusqu'à 70 % ! Mais cette solution implique une programmation plus complexe et une synchronisation des coeurs extrêmement précise.

L'architecture interne des composants est un autre levier de progrès. Longtemps, l'amélioration des performances énergétiques de ces derniers a été un simple corollaire de la miniaturisation. Une logique qui atteint aujourd'hui ses limites, notamment parce que le rapprochement de la source et du drain entre lesquels circulent les électrons entraîne une augmentation des phénomènes électrostatiques parasites. Plusieurs pistes s'ouvrent alors : remplacer le substrat classique de silicium par un substrat silicium sur isolant à déplétion totale (dit FD-SOI, pour fully depleted silicon on insulator) et retravailler l'architecture, en optant pour une structure planaire ou tridimensionnelle (transistors FinFET et Tri-Gate, empilements de puces).

STMicroelectronics a fait le choix des supports FD-SOI et d'une architecture à deux dimensions. Les essais, réalisés pour une finesse de gravure de 22 nm en collaboration avec le CEA-Leti et Soitec, ont permis d'observer qu'à performance égale, la consommation était 30 % plus faible. Dans une optique de production (à 28 nm), une économie de 30 % de l'autonomie des batteries a été obtenue.

Les structures tridimensionnelles de type FinFET et Tri-Gate visent à limiter le courant de fuite. Pour ce faire le canal entre la source et le drain est orienté verticalement par rapport au substrat. Ainsi, la zone de contact entre ce dernier et le flux d'électrons est réduite. Les pertes également.

Le FinFET se différencie toutefois du Tri-Gate d'Intel, car il se base sur un substrat SOI qui crée une couche très fine de silicium, limitant intrinsèquement le courant de fuite. Le surcoût de production serait d'environ 10 %, au bénéfice d'une efficacité énergétique supérieure selon ses promoteurs. La société Applied Micro évoque ainsi, pour ses puces ARM X-Gene 64 bits, une consommation électrique limitée à 2 watts par coeur de calcul et seulement 300 milliwatts au repos. L'empilement, autre façon de réaliser des architectures en trois dimensions, « permet d'aller vers des systèmes plus compacts et moins gourmands » explique Jean-René Lèquepeys, chef du département Composants silicium au CEA. « Dans une architecture à plat, sur une puce parcourue par un fil horizontal, les connexions seront longues. Si maintenant on la coupe en quatre et qu'on superpose les morceaux, on pourra avoir des connexions verticales courtes, assurées par des vias traversants. ».

En empilant les circuits de cette façon, le débit entre le processeur et la mémoire est supérieur, la consommation énergétique est réduite, du fait de la diminution des pertes par échauffement et les effets parasites sont diminués, ce qui améliore les performances du système. Pour renforcer cette technique, il faudra toutefois optimiser l'empilement en réalisant des TSV (through-silicon vias) de plus en plus fins (2-3 microns) et denses (un millier par mm2).

Quelle que soit l'approche considérée, les défis technologiques ne manquent pas. Mais les possibilités sont telles que la recherche d'applications capables d'en profiter va devenir rapidement un enjeu crucial. c

La quête de la mémoire parfaite

Contrairement aux mémoires non volatiles, qui conservent leurs données lorsque l'alimentation est coupée, la mémoire dynamique est vorace en énergie. C'est la contrepartie de sa réactivité, garante de sa rapidité d'accès. Assez lentes, les mémoires non volatiles présentent un autre handicap : le nombre de cycles de lecture et d'écriture des données est limité. Les chercheurs tentent donc de mettre au point un type de mémoire qui réunirait tous les avantages : rapidité, économie d'énergie et non volatilité sans limitation des cycles d'accès à l'information. Les F-Ram et M-Ram (mémoires ferromagnétiques et magnétiques) tendent à remplir ce contrat. Pourtant la surprise pourrait venir d'un autre type de composant : le memristor. Théorisé en 1971, ce composant voit sa résistance modifiée en fonction du courant appliqué, ce qui lui permet de stocker de l'information. Il aura fallu attendre avril 2008 pour qu'une équipe de HP parvienne à en mettre au point un prototype fonctionnel. Les sociétés Hynix et Elpida ont annoncé la production en volume de ReRam pour l'année 2013.

ÉCONOMIQUE

Le recours à des processeurs multicoeurs permet une réduction de la consommation énergétique allant jusqu'à 70 %.

L'ARCHITECTURE 3D LIMITE LA PERTE D'ÉNERGIE

Lors de leur circulation de la source au drain, certains électrons « s'échappent » vers le substrat. Dans les transistors FinFET, la position verticale du canal réduit la surface de contact avec le substrat, limitant ce courant de fuite.

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