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Combiner des fonctions sans miniaturiser

La loi de Moore approchant ses limites, la recherche en électronique porte aujourd'hui sur l'extension des fonctions, plutôt que sur le développement de la puissance de calcul. Dans cette quête de la polyvalence, les puces électroniques explorent des technologies jusqu'alors peu exploitées et qui s'intégraient mal sur des circuits en silicium. Coup de projecteur sur cette génération de composants qui progressent sans passer par la miniaturisation.

Depuis ses débuts, l'électronique ne cesse de rétrécir. Pour des puces de surface identique, le nombre de transistors croît à chaque nouvelle génération. La loi de Moore, qui régit depuis 30 ans cette évolution, n'a pas encore été prise en défaut. Cependant, son hégémonie touche à sa fin : l'époque de la miniaturisation facile est derrière nous. Petit à petit, la finesse de gravure, aujourd'hui à l'échelle nanométrique, s'approche des limites physiques des matériaux. Les procédés à mettre en oeuvre pour parvenir à miniaturiser deviennent toujours plus complexes et coûteux. « Aujourd'hui, il faut changer d'équipement toutes les deux générations de transistors », estime Yves Dodo, responsable développement de projet interconnexions 3D chez STMicroelectronics. De plus, les nouveaux circuits pâtissent de leur taille : leurs performances électriques sont moindres, et les constructeurs doivent se tourner vers des matériaux autres que le silicium. Dans le domaine de la transmission de données, la voie de l'optronique ouvre de nouvelles perspectives : améliorer les performances des circuits de silicium.

D'autres pistes sont également explorées. Ce qui est certain, c'est que dorénavant, les chercheurs veulent améliorer les circuits sans passer par des transistors toujours plus petits. La puissance de calcul n'est plus systématiquement au centre des préoccupations, il faut faire autrement. C'est ce que l'on appelle le « more than Moore » (plus que Moore). Pour y parvenir, il faut diversifier les fonctions des composants existants en intégrant de nouveaux éléments aux puces actuelles.

Dans la course à la miniaturisation, les circuits analogiques sont restés à la traîne, car plus compliqués à perfectionner que les circuits numériques. En raison de ce décalage, il est devenu de plus en plus difficile de les intégrer sur des circuits numériques. L'enjeu pour l'analogique est donc de rattraper ce retard. Pas seulement en réduisant la taille des composants, comme on a pu le faire pour le numérique, mais en leur donnant de nouvelles propriétés. L'analogique a également un rôle capital dans l'intégration des Mems (Microsystèmes électromécaniques) dans les circuits. Ces systèmes ouvrent la porte à de nouveaux outils. Des fonctionnalités toujours mieux intégrées, qui seront incontournables dans les appareils de demain, en particuliers les téléphones mobiles. Tour d'horizon de ces différentes solutions.

L'OPTRONIQUE MARIE L'OPTIQUE ET L'ÉLECTRONIQUE

c L'intégration optronique consiste à réaliser des fonctions optiques sur les circuits électroniques en silicium. L'un des objectifs est de remplacer les traditionnelles interconnexions électriques par des liaisons optiques qui augmentent la portée et la vitesse de transmission des signaux. À l'échelle d'une puce, il s'agit de l'équivalent d'une fibre optique par rapport à un câble électrique classique.

« La tendance pour la transmission de données dans les microprocesseurs est d'obtenir une bande passante plus élevée », explique Laurent Fulbert, responsable du programme photonique au CEA-Léti. Cela a pour effet de diminuer la consommation électrique et de réduire l'encombrement : sur une même surface, on transmet d'autant plus d'informations que la bande passante est large.

La transmission des données sous forme optique offre cela. L'information circule via un guide d'onde sur silicium, à plusieurs terabits par seconde. La perte de données est réduite, ainsi que le temps de latence d'un bout à l'autre de la puce. De plus, les pistes d'interconnexion peuvent être proches sans se parasiter entre elles, au contraire des pistes traditionnelles, qui conduisent l'information sous forme électrique. Cette technique est utilisée dans des systèmes à haute performance, comme des supercalculateurs, mais elle reste coûteuse, et donc moins intéressante pour la transmission de signaux sur de si courtes distances.

Cette technologie nécessite l'intégration de lasers sur les puces en silicium. La démarche n'est pas neuve : on savait déjà fabriquer des lasers miniaturisés puis les ajouter à un composant électronique fini. Mais « depuis un ou deux ans, nous savons réaliser des lasers intégrés sur silicium capables de concurrencer ces composants hybrides », précise Laurent Fulbert. Aujourd'hui, les éléments optiques sont intégrés aux composants au moment de leur fabrication. Une technique moins coûteuse, qui autorise une utilisation plus large.

Au-delà du laser et de la transmission de données, l'optronique a ses fonctions propres. « Nous disposons aujourd'hui d'une boîte à outils qui nous permet d'appliquer sur silicium toutes les fonctions optiques classiques » : moduler, séparer, combiner les longueurs d'ondes. Les photodétecteurs et photodiodes ouvrent de nombreuses possibilités d'applications : ce type de capteurs est déjà utilisé dans le cadre d'analyses biologiques basées sur l'absorption de la lumière. À l'avenir, le développement des détecteurs optiques intégrés aux puces électroniques devrait favoriser l'émergence de méthodes et d'appareils de mesure et de détection, à l'usage simplifié.

L'ANALOGIQUE EN QUÊTE DE FLEXIBILITÉ

Tandis que les transistors numériques ont bénéficié pendant des années de toutes les attentions, les composants analogiques ont été moins perfectionnés. Car dans ce domaine, les limites physiques sont atteintes plus rapidement : en miniaturisant, les courants de fuite et la perte de gain deviennent vite trop importants. Alors qu'aujourd'hui les composants numériques peuvent avoir une finesse de gravure de 45 nanomètres, les pistes des circuits analogiques n'ont qu'une finesse de 90 nm.

Afin de contourner ce problème, la principale stratégie a donc été d'utiliser le moins possible les composants analogiques. Seulement, le numérique n'est pas omnipotent. Aux interfaces avec l'extérieur, pour les mesures et l'acquisition de données, l'électronique ne peut être qu'analogique. Les filtres numériques ont aussi leurs limites : leur consommation trop importante dans les hautes fréquences les rend moins intéressants que les filtres analogiques. La recherche dans ce domaine consiste donc à utiliser les technologies actuelles de la microélectronique, comme les couches minces, pour exploiter la marge de progression de l'analogique. Ceci dans le but d'obtenir des composants plus petits, moins chers et subissant moins de pertes.

L'analogique ne se contentera pas de suivre la voie de la miniaturisation. Les chercheurs travaillent sur le développement de nouvelles fonctionnalités. Par exemple l'utilisation du filtrage pour élaborer des résonateurs.

« Un des enjeux est de rendre les composants plus adaptables », explique François Perruchot, responsable programme composants radiofréquences au CEA-Léti. Alors que les fonctions numériques sont reprogrammables, l'analogique est moins flexible, ce qui implique parfois la multiplication des composants. « Pour un téléphone à quatre bandes de fréquences, il faut aujourd'hui utiliser quatre filtres analogiques, précise François Perruchot. Nous devons réinventer ces systèmes ». Les solutions actuellement étudiées sont l'utilisation de matériaux dont la propriété dépend de la tension de polarisation, ou l'élaboration de commutateurs, comme des capacités binaires, qui rendraient les circuits programmables. Équipés de ces systèmes, les téléphones pourraient gérer de nouveaux standards en utilisant moins de composants.

LES MEMS ASSOCIENT MÉCANIQUE ET ÉLECTRONIQUE

Une autre contribution importante de l'analogique au « more than Moore » réside dans les Mems (Microsystèmes électromécaniques). Comme leur nom l'indique, ils servent d'interface entre le circuit électronique et son environnement mécanique. Il s'agît d'assurer la transduction d'une donnée physique, comme un mouvement, mesurée par un capteur en un courant électrique. Généralement, cette fonction est intégrée : on travaille à l'échelle du système, et pas du composant élémentaire.

Les Mems se présentent comme des composants hybrides, d'une nature différente des habituels composants électroniques. Leur usage n'a pas pour but d'améliorer la puissance de calcul ou la transmission des données. En passant par de nouveaux designs et de nouvelles fonctionnalités, ils rendent les circuits plus polyvalents, avec un champ d'application extrêmement large. L'offre se développe, les capteurs sont de plus en plus variés : accéléromètres, gyroscopes, capteurs de pression, microphones... Le marché s'étend.

Venus de l'armée, les Mems trouvent aujourd'hui des applications dans les téléphones portables, l'automobile ou les jeux vidéo, mais également dans le matériel médical. Une tendance qui s'accentue avec la baisse des prix, induite par l'augmentation de la production. « Nous n'avons plus besoin de créer systématiquement des machines, comme il y a cinq ou dix ans », déclare Benedetto Vigna, directeur de la division Mems chez STMicroelectronics.

La clé de l'intégration de ces systèmes est le développement de la mécanique sur silicium. La technique existe depuis une vingtaine d'années : elle était utilisée notamment pour fabriquer les accéléromètres utilisés dans les airbags de voitures. Elle s'est étendue aux autres types de capteurs, auparavant trop gros et trop chers pour être largement utilisés en électronique.

« Aujourd'hui, nous essayons de rendre ces dispositifs plus sensibles, ou de réduire leur taille sans perdre en performance », explique Bruno Mourey, directeur adjoint du département intégration hétérogène sur silicium au CEA-Léti. Cependant, au contraire des transistors, ces systèmes laissent peu de marge à la miniaturisation. Les systèmes actuels peuvent mesurer de 2 à 7 millimètres. Améliorer l'intégration en revanche aide à obtenir des Mems plus polyvalents et à moindre coût. La recherche dans cette direction porte sur la fabrication simultanée de la partie mécanique du système et du composant électronique associé, destiné à analyser la grandeur physique mesurée. Les nouvelles générations de Mems intègrent plusieurs capteurs différents, comme un accéléromètre et un gyroscope. Bien qu'étant tout à fait hors du cadre de la loi de Moore, ceci se traduit au niveau de l'application par plus de fonctions sur moins d'espace. C'est précisément l'essence même de la règle « more than Moore »

TAILLE

Le silicium, le matériau de base des composants électroniques, est organisé en mailles de 0,5 nanomètre.

L'OPTRONIQUE MARIE L'OPTIQUE ET L'ÉLECTRONIQUE

L'optronique associe la lumière à l'électronique. Elle donne accès à des outils variés utilisés pour des applications médicales comme spatiales.

LA FINESSE DE GRAVURE S'APPROCHE DES LIMITES PHYSIQUES

Il est possible aujourd'hui de graver sur silicium des motifs d'une dizaine de nanomètres (nm). La distance entre deux atomes de silicium la maille du cristal - est de 0,5 nm.

90nm

Utilisée pour les circuits analogiques actuels et certains circuits numériques

45nm

Présente dans les circuits numériques les plus courants

32nm

Commence à être utilisée pour les circuits les plus avancés

20nm

La prochaine étape de miniaturisation de la gravure

18nm

Finesse à partir de laquelle la production ne serait plus rentable

L'ANALOGIQUE EN QUÊTE DE FLEXIBILITÉ

Les composants radio-fréquences, sont des circuits intégrés analogiques. Leur perfectionnement est un enjeu majeur dans le domaine du sans fil.

BENEDETTO VIGNA, DIRECTEUR DE LA DIVISION MEMS DE STMICROELECTRONICS« Les Mems ont de l'avenir dans la santé »

Les différentes propriétés des Mems peuvent avoir des applications dans le domaine de la santé, qui devraient se développer ces prochaines années. Cela commence aujourd'hui avec les capteurs de mouvement. Les premières applications sont d'ordre ludique : des appareils, portés à la ceinture ou dans la poche, permettent aux utilisateurs d'obtenir des informations sur leur activité physique, et d'avoir un suivi régulier. Mais ces capteurs peuvent aussi détecter les chutes : une application utile pour les personnes âgées, qui peut être couplée à un service de télésurveillance. Des capteurs de pression sanguine miniaturisés pourront être fabriqués à des prix abordables. STMicroelectronics développe même un « laboratoire sur puce », capable de mener des analyses complexes sur l'ADN.

LES MEMS ASSOCIENT MÉCANIQUE ET ÉLECTRONIQUE

Un accéléromètre MEMS est composé d'une partie mobile, sensible au mouvement, qui interagit avec un circuit électronique classique.

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