Une équipe de chercheurs de l’Université de technologie de Vienne a développé l’unité la plus fondamentale de l’informatique : le transistor. En puisant dans l’élément Germanium (Ge), ils ont développé une nouvelle conception de transistor adaptatif qui peut changer sa configuration à la volée, en fonction des exigences de la charge de travail. Le potentiel de celui-ci, demandez-vous? Énorme, car il pourrait permettre d’utiliser jusqu’à 85 % de transistors en moins que les approches actuelles. De plus, avec moins de transistors fonctionnant pour le même travail, la consommation d’énergie et les températures sont réduites, ce qui permet à son tour une mise à l’échelle de fréquence et des performances plus élevées.
Les transistors – et en particulier les transistors à effet de champ (FET) – sont les unités fondamentales de la conception des semi-conducteurs : trois éléments travaillant à l’unisson qui libèrent nos expériences technologiques. Tout comme les vannes contrôlent si l’eau s’écoule ou non, les transistors contrôlent si le courant fait son chemin depuis le la source (le premier élément) vers le drainer (le deuxième élément). Cependant, le transistor en lui-même n’est pas très intelligent ; en fait, il serait rendu à peu près inutile s’il n’y avait pas les entrées de son électrode de commande. Pour prolonger l’analogie avec l’eau, un barrage n’est extrêmement utile que si vous pouvez contrôler si l’eau y coule ou non. Nous avons donc besoin d’un troisième élément fondamental – le transistor portail. Cette simplicité en trois parties des transistors est ce qui nous permet d’en entasser des milliards dans les dernières puces hautes performances.
La simplicité du transistor a un inconvénient : la fonctionnalité. Alors que les transistors peuvent assumer de nombreuses fonctions différentes, ces fonctions sont, en elles-mêmes, simples. C’est grâce à l’ajout de nombreux petits transistors simples ensemble (dans des circuits intégrés) que des performances d’ordre supérieur et des charges de travail plus complexes peuvent être débloquées. Un certain nombre de transistors, disposés d’une certaine manière, peuvent être transformés en un noyau Zen 3 ; ils peuvent également se transformer en un noyau Nvidia CUDA ou en blocs supplémentaires de caches mémoire.
Vous vous souvenez de la stratégie tic-tac (et plus tard tac-tock-tock) d’Intel ? En ces termes, un tock (changement de microarchitecture) correspond essentiellement aux améliorations de performances qui peuvent être débloquées en réarrangeant et en repensant les blocs de transistors. Une coche (un changement de nœud de fabrication) augmente la quantité de transistors disponibles pour les ingénieurs à utiliser dans des circuits de plus en plus complexes. La mort de la stratégie tic-tac d’Intel montre à quel point les progrès en matière de densité de transistors sont de plus en plus difficiles à réaliser. Et tandis que la recherche sur les matériaux et la conception a mis au point de nombreuses façons d’améliorer les transistors, leur conception fondamentale reste inchangée. Et là où il y a un manque de changement, il y a une opportunité : quels avantages pourraient venir de la refonte du transistor ?
« Les opérations arithmétiques, qui nécessitaient auparavant 160 transistors, sont possibles avec 24 transistors en raison de cette adaptabilité accrue. De cette façon, la vitesse et l’efficacité énergétique des circuits peuvent également être considérablement augmentées », a expliqué le professeur Walter Weber, un autre membre du équipe. En d’autres termes, les nouveaux transistors adaptatifs peuvent réduire jusqu’à 85 % le nombre de transistors requis pour une charge de travail donnée. De plus, avec moins de transistors fonctionnant pour le même travail, la consommation d’énergie, les températures et les points de fuite sont réduits dans toute la conception, ce qui permettrait à son tour une mise à l’échelle de fréquence et des performances plus élevées.
« Nous connectons deux électrodes avec un fil extrêmement fin en germanium, via des interfaces de haute qualité extrêmement propres », explique le Dr Masiar Sistani, membre de l’équipe de recherche. « Au-dessus du segment germanium, nous plaçons une électrode de grille comme celles que l’on trouve dans les transistors conventionnels. Ce qui est décisif, c’est que notre transistor comporte une électrode de commande supplémentaire placée sur les interfaces entre le germanium et le métal. Elle peut programmer dynamiquement la fonction du transistor. «
Cette électrode de contrôle supplémentaire (la porte de programme) permet essentiellement aux chercheurs de modifier le comportement des transistors. Les transistors typiques à électrode unique transportent le courant via des électrons en mouvement libre (qui portent une charge négative) ou en retirant un électron d’atomes individuels, les rendant ainsi chargés positivement. L’ajout du pont en germanium permet à la nouvelle conception du transistor de pouvoir basculer entre ces deux états de transport de manière transparente.
« Le fait d’utiliser du germanium est un avantage décisif, explique le Dr Sistani. « C’est parce que le germanium a une structure électronique très spéciale : lorsque vous appliquez une tension, le flux de courant augmente initialement, comme vous vous en doutez. Après un certain seuil, cependant, le flux de courant diminue à nouveau – c’est ce qu’on appelle la résistance différentielle négative. Avec le l’aide de l’électrode de commande, nous pouvons moduler à quelle tension se situe ce seuil. Cela se traduit par de nouveaux degrés de liberté que nous pouvons utiliser pour donner au transistor exactement les propriétés dont nous avons besoin pour le moment.
Étonnamment, la technologie promet d’être rapidement évolutive et déployable : aucun des matériaux utilisés n’est nouveau dans l’industrie des semi-conducteurs, et aucun nouvel outil spécialement conçu ne serait nécessaire. Mais, bien sûr, toute adoption initiale serait limitée et les chercheurs pensent que leur transistor adaptatif serait incorporé en tant que module complémentaire à certaines conceptions de semi-conducteurs pour en tirer parti en cas de besoin.