Une équipe de chercheurs de l’Université Tsinghua de Pékin, en Chine, a produit le plus petit transistor du monde. Le document de recherche, publié dans Nature, décrit comment la nouvelle conception de transistor exploite une feuille de graphène fine comme la grille du transistor, permettant une longueur de grille record de 0,34 nm. L’équipe s’attend à ce que ses recherches – et les résultats qui en résultent transistors latéraux, comme ils ont nommé le résultat – pour fournir un moyen de sortir des nouvelles très exagérées entourant la mort de la loi de Moore.
Les transistors sont les unités fondamentales de la conception des semi-conducteurs, nécessitant trois blocs de construction pour fonctionner : une source (où le courant électrique entre dans le transistor) ; un drain (le point où ce même courant électrique quitte le transistor); et une porte, qui contrôle si le courant électrique effectue ou non ce voyage particulier. Cependant, un transistor en lui-même est si simple qu’il n’est en fait capable d’aucun travail utile. Pour cela, les transistors sont entassés dans des circuits intégrés ; un certain nombre et un certain agencement de transistors (à l’échelle de milliards) aboutissent alors à un cœur de processeur, tandis qu’un autre aboutit à une banque de cache SRAM ou à un GPU.
Il s’ensuit qu’un moyen d’augmenter les performances et la complexité de la charge de travail disponible consiste à entasser toujours plus de transistors dans le même espace. Une autre serait d’augmenter la fonctionnalité de chaque transistor. Toutes les améliorations de la fabrication des semi-conducteurs tendent finalement vers la même chose : un nombre plus élevé de transistors, aussi complexes soient-ils, par pouce carré. Et c’est là que des millions de dollars de recherche sont investis chaque année : la recherche de moyens de réduire la taille des transistors, afin que davantage d’entre eux puissent être emballés dans la même zone. Cela en soi est assez simple; cependant, les transistors plus petits présentent des avantages supplémentaires – puisque le courant électrique doit supporter un trajet plus court de la source du transistor vers son drain, il reste dans les caractéristiques du transistor pendant de plus petites périodes – améliorant simultanément l’efficacité énergétique, les températures et la fréquence de fonctionnement tout en réduisant les fuites.
Mais comment les chercheurs ont-ils réussi à obtenir une si petite longueur de porte ? En profitant du fait que les feuilles de graphène, constituées d’atomes de graphène disposés dans un plan 2D, sont aussi épaisses que l’atome de graphène. C’est ainsi que la longueur de grille de 0,34 nm a été obtenue : elle correspond à la hauteur de la feuille de graphène.
La conception classique du transistor a également été modifiée pour s’adapter à cette grille radicalement nouvelle (dont les chercheurs ont construit des prototypes fonctionnels). Imaginez deux bâtiments adjacents avec des hauteurs différentes. Dans la conception des transistors, ces bâtiments sont constitués de couches de silicium et de dioxyde de silicium (isolants, ce qui signifie qu’ils ne transportent pas de courants électriques). La couche de graphène, d’un atome d’épaisseur, est appliquée au sommet du bâtiment le plus haut. Mais puisque le graphène est électriquement conducteur (c’est pourquoi nous l’utilisons en premier lieu), il doit être isolé des deux côtés ; par conséquent, les chercheurs ont appliqué une autre couche de matériau isolant : l’oxyde d’aluminium.
Cela laisse les bords mêmes de la couche de graphène (notre bâtiment) comme seuls éléments non isolés, ce qui confère à la porte l’épaisseur d’un atome. Et parce que les « bâtiments » de silicium sont à des hauteurs différentes, nous pouvons maintenant appliquer une couche de bisulfure de molybdène semi-conducteur sur et le long du flanc (d’où le nom) du plus haut bâtiment. C’est à travers cette couche que le courant électrique traversera le transistor. Mais rappelez-vous que la couche de graphène d’une épaisseur d’atome entre en contact avec l’autoroute électrique au bisulfure de molybdène, ce qui lui permet d’agir comme une porte, permettant (ou interrompant) le flux de courant.
Enfin, une source est placée sur le bâtiment le plus haut (silicium) pour que le courant électrique pénètre dans l’autoroute du bisulfure de molybdène; et un drain, à travers lequel le courant électrique abandonne le transistor, est placé au-dessus de l’autre. C’est-à-dire si la porte (la couche de graphène) lui permet d’atteindre sa destination. Nous avons maintenant un transistor fonctionnel.
Fondamentalement, les chercheurs affirment que ces nouveaux transistors sont faciles à fabriquer avec la technologie actuellement mise en œuvre et que le changement de structure a toujours abouti à des unités compactes. En fait, ils devraient finalement s’avérer moins complexes à produire qu’au moins certains autres modèles de transistors actuellement explorés, car le placement des couches de graphène et de bisulfure de molybdène est une tâche de précision relativement faible (par rapport à la gravure et à d’autres techniques de fabrication de semi-conducteurs).
Nous devons toujours garder à l’esprit que toutes les recherches prometteuses ne se transforment pas en un produit fonctionnel, et celles qui le font (y compris cette nouvelle conception de transistor) mettront des années à nous parvenir. Même ainsi, il est important d’avoir une voie claire à suivre – ou du moins, pleine d’options – plutôt qu’aucune option du tout. Cela est particulièrement vrai compte tenu de la vitesse à laquelle le marché mondial des semi-conducteurs se développe. Cela, associé à l’augmentation des exigences de calcul de l’informatique générale, de l’IA, du Big Data, du Web3, de la blockchain et de tous les autres produits technologiques, exigera des gains d’efficacité extrêmes. Avoir une caractéristique de transistor aussi petite qu’un atome semble certainement approprié pour l’objectif.