IBM, Samsung et GlobalFoundries présentent la première puce gravée à 5 nm,
Grâce aux nouveaux transistors GAAFET

Le , par Christian Olivier, Chroniqueur Actualités
Le transistor à effet de champs (FET) est l’élément clé qui a permis le développement des semi-conducteurs en général et des microprocesseurs en particulier tels qu’on les connait aujourd’hui.

IBM a profité de la conférence Symposia on VLSI Technology & Circuits 2017 qui se tenait cette semaine à Kyoto pour annoncer qu'avec ses partenaires (GlobalFoundries et Samsung), ils ont réussi à fabriquer des puces gravées à 5 nm avec des transistors d’un nouveau genre (transistors nanosheet). Ces transistors ont une structure comparable à 1/10 000 fois l’épaisseur d’un cheveu humain.

Les premières architectures FET se basaient sur un modèle en deux dimensions (planar FET ou 2D FET), mais ce modèle a atteint ses limites. Pour permettre à l’industrie des semi-conducteurs d’évoluer, les entreprises technologiques ont mis au point une autre architecture, 3D cette fois, baptisée finFET.

La technologie finFET permet d’obtenir des transistors de très petite taille (nanomètre) à multiples grilles qui résistent mieux aux effets canaux courts comparés aux transistors planaires (en 2D FET). Cette technologie a fait une entrée remarquée avec le processus de gravure à 22 nanomètres (nm) initié par certaines entreprises à partir de 2012. La technologie finFET autorise une plus grande évolutivité des appareils, ainsi que leurs performances (de calcul, énergétique et autre).

L’alliance formée par ces trois géants technologiques a permis de mettre au point un procédé industriel viable pour la fabrication d'un nouveau type de transistors en silicium avec une finesse de gravure de seulement 5 nm.


Pour ce faire, les ingénieurs ont dû mettre au point une nouvelle architecture (la manière dont les éléments qui composent une puce sont arrangés et la nature des matériaux utilisés). Ils ont réussi à mettre des grilles tout autour des transistors nanosheet empilés afin de créer des transistors viables de type GAA (Gate-All-Around) gravés à 5 nm qui bénéficient d’une meilleure densité et de meilleures performances.

Le nouveau transistor de type GAAFET est constitué d’une grille qui entoure complètement le canal de conduction des électrons, contrairement aux autres transistors utilisant la technologie finFET. Ce canal est lui-même composé par trois couches de nanofeuilles de silicium empilées les unes au-dessus des autres. Pour ajuster les performances du canal, il suffit de modifier sa largeur. Le transistor GAAFET conserve tous les avantages de ses prédécesseurs utilisant la technologie finFET, notamment leur excellente résistance vis-à-vis des effets canaux courts.


L’un des éléments essentiels qui ont permis d’obtenir ce résultat a été l’adoption de la technique dite de lithographie par rayonnement ultraviolet extrême (EUV). Ce procédé industriel utilise un rayonnement électromagnétique à très haute énergie, avec des longueurs d’onde comprises entre 124 et 10 nm pour créer des patterns en haute résolution très complexes qu’il était impossible de réaliser jusqu’à lors.

Pour améliorer les performances électriques et de traitement de ses puces, IBM et ses partenaires ont également étudié de nouveaux matériaux ou techniques de conception très prometteurs.

De l’air a été incorporé dans les structures des nouvelles puces afin de réduire la capacitance (la quantité de charge électrique portée par un conducteur pour un potentiel électrique donné). Ces espaces remplis d’air empêchent l’accumulation de la charge électrique entre les contacts métalliques et réduisent la puissance requise pour commuter le transistor.


Les métaux utilisés pour réaliser les interconnexions sont constamment évalués et optimisés. Le cuivre a été adopté comme le composant standard dans l’industrie pour le conducteur principal. Toutefois, d’autres métaux comme le cobalt ou le ruthénium pourraient à terme se présenter comme des substituts idéals au cuivre avec l’augmentation des procédés de miniaturisation.


À consommation électrique identique, une puce GAAFET gravée à 5 nm pourrait être jusqu’à 40 % plus rapide qu’une puce gravée à 10 nm. En considérant uniquement une charge de travail identique, cette puce gravée à 5 nm pourrait s’avérer jusqu’à 75 % plus économe en énergie qu’une puce gravée à 10 nm.

Il est possible de fabriquer des puces avec des transistors FinFET gravées à 5 nm du point de vue structurel. Cependant, passer d’une puce comportant 20 milliards de transistors FinFET gravée à 7 nm, à une autre comportant 30 milliards de transistors FinFET gravée à 5 nm n’apportera pas une augmentation significative des performances (puissance de calcul, énergétique, etc.) du produit final.


D’après IBM, la loi de Moore, aujourd’hui, dans le contexte de la mise à l’échelle de l’évolution de la technologie logique, se décompose en quatre parties : densité (nombre de transistors par pouce carré d’une puce), performance, puissance et économie (le coût par transistor). Les futures puces gravées à 5 nm avec des transistors à nanosheet permettront de poursuivre sur la voie tracée par la Loi de Moore.



Source : Blog IBM, Recherche IBM, Tel Archives ouvertes

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Avatar de chrtophe chrtophe - Rédacteur/Modérateur https://www.developpez.com
le 09/06/2017 à 9:12
Pour vous donner une idée d'ordre de grandeur :

Taille d'un virus : de 20 à 300 nm
rayon de la double hélice d'ADN : 1nm
1 Ä (Angtröm)= 0,1nm
rayon d'un atome d'hydrogène : 0,25 Ä
rayon d'un atome de Césium : 2,25 Ä

Dans 20 ans (peut-être moins), on aura des transistors moléculaires. Les (r)évolutions suivantes seront subatomiques->quantiques.
Avatar de Steinvikel Steinvikel - Membre régulier https://www.developpez.com
le 09/06/2017 à 18:35
Chrtophe, les rayon d'atomes que tu indiques, se sont les rayon des noyaux ou bien de l'orbite statistique de l'électron le plus éloigné ?
De toute manière les atomes ne sont jamais en contact direct... je me demande bien quelle est l'ordre de grandeur des distances opérant dans les liaisons atomiques (atomes entre atomes) une dizaines d' Ä (soit 1nm) ?

À consommation électrique identique, une puce GAAFET gravée à 5 nm pourrait être jusqu’à 40 % plus rapide qu’une puce gravée à 10 nm. En considérant uniquement une charge de travail identique, cette puce gravée à 5 nm pourrait s’avérer jusqu’à 75 % plus économe en énergie qu’une puce gravée à 10 nm.

Si lors d'une tel évolution ils développaient des proc avec un nombre similaire de transistor (une puce plus petite ou une répartition plus espacé), on aurait droit à des proc haut de gamme qui chauffe 75% moins (à fréquence égale)... vous imaginez le gain de confort en refroidissement !? ou le gain de stabilité par la disparition des pic de "throttling" !?

Malheureusement, il s'y passe la même chose que pour les building... tojours plus, toujours plus. Et d'une génération à l'autre on a finalement un petit gain... mais qui touche toutes les caractéristiques (fréquences, chaleur, consomation, puissance, etc.) =/
Avatar de chrtophe chrtophe - Rédacteur/Modérateur https://www.developpez.com
le 09/06/2017 à 19:23
Chrtophe, les rayon d'atomes que tu indiques, se sont les rayon des noyaux ou bien de l'orbite statistique de l'électron le plus éloigné ?

Je pense qu'il s'agit du rayon de l'orbite de l'électron le plus éloigné, mais à vérifier.
Avatar de Steinvikel Steinvikel - Membre régulier https://www.developpez.com
le 10/06/2017 à 5:02
0,1 nm = 1 Å (ångström) = 100 pm (picomètre)

rayon atomique : de 30 à 300 pm
rayon nucléique : environ 1/10'000e (ième) du rayon atomique
longueur d'une liaison chimique : de 70 à 270 pm

Pour faire simple, un atome (et son nuage d'électron) mesure entre 0,03 et 0,3 nm... la taille de leur noyau est 10 000 fois plus petite... et la distance séparant 2 atomes liés oscille entre 0,07 et 0,27 nm.
Et pour les matières utilisés dans la nanoélectronique, on peut même restreindre à :
un rayon atomique mesure de 0,1 à 0,15 nm, la longueur d'une liaison entre 0,15 et 0,20 nm.
On imagine donc assez facilement qu'un énorme problème surviendra dans une dizaine d'années, arrivé à 0,5 nanomètre de précision (la largueur de l'atome + sa liaison).

Mais avant d'y arriver, la dizaine d'années qui nous y amènera nous promet de magnifiques améliorations en terme de gestion d'isolation et de routage de la chaleur au sein de nos cher puces ! =)
...de quoi fortement limiter la propagation de la chaleur dans les zones voisines, en plus de changer son mode de diffusion sphérique (homogène) en un mode de diffusion dirigé, canalisé.
Bon, pour l'instant ça ne concerne que 15% de la chaleur dégagé... mais à 50% ça amène déjà de grandes possibilités.

Voici l'article en question sur le routage de la chaleur, un article de 2 minutes de lecture sans rien de bien compliqué :
http://www.cnrs.fr/insis/recherche/a...n-chaleur.html
Avatar de chrtophe chrtophe - Rédacteur/Modérateur https://www.developpez.com
le 10/06/2017 à 8:31
L'avenir n'est peut être pas à l’électronique.

Des recherches sont en cours pour stocker des données dans de l'ADN. 1 pétabit au centimètre cube.
http://www.futura-sciences.com/scien...umanite-57256/
Avatar de Steinvikel Steinvikel - Membre régulier https://www.developpez.com
le 10/06/2017 à 12:20
ce type de mémoire est utile pour de l'archivage, car il est bien plus durable que les mémoires magnétique utilisé jusqu'à maintenant. En ce qui concerne la vitesse de séquençage... ^^'
Pour le coup, je ne suis donc pas d'accord avec toi sur ce point, néanmoins d'autres solution existe, dont la spintronique, la photonique, ou encore le passage au domaine quantique.
Avatar de chrtophe chrtophe - Rédacteur/Modérateur https://www.developpez.com
le 10/06/2017 à 13:34
Ta remarque est intéressante, j'avais pas vu que c'était très très lent.

Pour le moment, c'est lent. Mais on est aux balbutiements.

Et éthiquement, je préférerais quand même qu'on reste sur des technologies non biologiques.
Avatar de Steinvikel Steinvikel - Membre régulier https://www.developpez.com
le 13/06/2017 à 19:19
Je t'invite à te renseigner sur l'avancé de la mémoire sur quartz, une mémoire purement minérale qui résiste à tout type de rayonnement (champs électrique, UV, etc.) , aux acides (et bases) les plus corrosif à l'état naturel (lac volcanique), résiste également à des températures extrêmes proche de la lave (donc est insensible aux incendie). Son seul défaut par rapport à l'ADN c'est la densité de données et son poids (ou son volume).
la faiblesse de l'ADN c'est sa sensibilité aux UV principalement (il y en a d'autres mais c'est nettement moins significatif).

Un documentaire récent en parle ... la mémoire de nos société, ou la mémoire de l'oubli... je ne sais plus exactement ça à moins de 2ans.
Il tire le portrait des principales mémoires historiques en finissant sur les mémoires en développement (pierre, argile, papier, métaux, bande magnétique, plateau magnétique, CD, SSD, ADN, quartz).
Un constat intéressant est fait : chaque itération d'innovation de mémoire, moins sa mémorisation dure... passant de plus de 10 000 ans à presque 1 mois pour les SSD (suivant le contexte d'utilisation > température élevé)
Avatar de chrtophe chrtophe - Rédacteur/Modérateur https://www.developpez.com
le 13/06/2017 à 20:11
Je ne sais pas si c'est ça ou autre chose, mais Arte avait diffusé un reportage intéressant :

"Nos ordinateurs ont ils la mémoire courte ?"
Avatar de Steinvikel Steinvikel - Membre régulier https://www.developpez.com
le 14/06/2017 à 7:05
oui voilà, c'est celui là ! =)
"Nos ordinateurs ont ils la mémoire courte ?" (2014)
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