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Semi-conducteurs : IBM franchit la barre des 2 nm

par Etienne Henri
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[Dans les semi-conducteurs, la course à la finesse de gravure repart de plus belle. IBM vient de franchir une nouvelle frontière : le 2 nm. Depuis quelques années, la relative stagnation des fondeurs – et plus particulièrement d’Intel – inquiétait les spécialistes. IBM relance donc l’enthousiasme quant au potentiel de la prochaine génération de puces…]

C’est une nouvelle étape dans la course à la finesse de gravure que vient de franchir IBM (NYSE : IBM). Big Blue a, une fois de plus, repoussé les limites de l’industrie du semi-conducteur en produisant une puce gravée avec une finesse de 2 nanomètres (nm).

Par comparaison, Samsung et TSMC maîtrisent tout juste la gravure en 5 nm… Intel n’en finit plus d’annoncer l’arrivée imminente de son 7 nm désormais prévu pour 2023… et GlobalFoundries, pour sa part, se contente très bien du 12 nm pour répondre aux besoins de ses clients…

Clairement, IBM est en avance et trace son chemin vers ce qui pourrait bien être la gravure du futur. Mieux encore, la nouvelle tombe à point pour le secteur du semi. En prouvant que la gravure en 2 nm est possible, IBM rassure sur les possibilités d’innovations et le potentiel de la prochaine génération de puces.

Le mur quantique recule encore

La terreur des fondeurs est d’atteindre le mur quantique, cette barrière au-delà de laquelle il ne sera plus possible d’augmenter la densité de transistors. Tout le monde s’accorde à dire que, lorsque la densité des transistors plafonnera, la puissance et l’efficacité énergétique des processeurs feront de même.

A ce moment-là, la microélectronique basée sur des galettes de silicium atteindra un plateau de performance. Smartphones, puces d’IA, serveurs cloud : tous ces usages qui nous ont habitués à des améliorations ne connaîtront alors plus que des progrès marginaux. C’est dire si la progression des finesses de gravure est scrutée de près.

Depuis quelques années, la relative stagnation des fondeurs – et plus particulièrement d’Intel – inquiétait les spécialistes. Seules Samsung et TSMC semblaient encore à même de faire progresser leur outil industriel. Mais jusqu’à quand ? La feuille de route était tracée jusqu’aux 3 nm, toutefois la suite des événements demeurait floue.

Un petit nanomètre qui change tout

Il est difficile d’appréhender l’importance de la finesse de gravure sur les performances en termes de puissance de calcul et d’optimisation énergétique.

Une première approche est de considérer une galette de silicium comme une feuille de papier sur laquelle seraient dessinés, en deux dimensions, des transistors. Avec cette analogie, la finesse de gravure représente l’épaisseur du trait de crayon. Du fait de la structure en deux dimensions, la densité augmente avec le carré de la finesse : diviser par deux la taille du trait, c’est mettre quatre fois plus de transistors sur une surface égale.

IBM trace son chemin vers la gravure du futur

Cette analogie était pertinente dans les premiers temps de la microélectronique, mais elle ne décrit plus fidèlement la réalité. En effet, les fondeurs qui, contrairement à Samsung et TSMC, n’ont pas réussi à faire progresser de façon continue leur finesse de gravure ont misé sur un autre cheval : le dessin en 3D des transistors.

A chaque équipe sa manière de “dessiner” les transistors en 3D, mais l’objectif est le même. Il s’agit, à chaque fois, de faire rentrer plus de briques élémentaires dans un volume égal tout en restant sur une finesse de gravure maîtrisée.

Intel est, par exemple, devenue maître dans l’art de prolonger la durée de vie de ses chaînes de production tout en jouant sur la forme des portes logiques. C’est cette débrouillardise qui lui permet, aujourd’hui, d’être moins à la traîne en termes de densité que ce que le chiffre brut de la finesse laisserait croire.

 

transistors gravure 3DPour augmenter la densité de transistors à finesse égale, les fondeurs gravent désormais en 3D.
Ici, le schéma d’un transistor FinFET. Illustration : wikicommons.

 

De son côté, IBM a joué sur les deux tableaux avec sa nouvelle puce. Non seulement la gravure est plus fine, mais elle se base sur des transistors en 3D. Nul ne sait dire, aujourd’hui, quelle dimension de ces transistors mesure effectivement 2 nm, mais cela n’a que peu d’importance. Le véritable juge de paix est la densité et, de ce point de vue, elle est remarquable.

Selon le communiqué de presse d’IBM, la nouvelle technologie permet de faire rentrer 50 milliards de transistors dans une puce de 150 mm² (soit un carré d’à peine plus de 1,2 centimètre de côté).

Le site Anandtech s’est fendu, à l’occasion de l’annonce d’IBM, d’une synthèse des densités atteintes par les fondeurs à différentes finesses de gravure.

finesse gravure selon fondeursEstimations de densités atteintes par les différents fondeurs. Crédit : Anandtech.

 

Plus le chiffre est élevé, plus puissantes et économes sont les puces. Le résultat est sans appel : avec plus de 300 millions de transistors par mm², la densité obtenue par IBM est sans commune mesure avec ce qui se fait de mieux dans l’industrie !

IBM, coutumier leader technologique

La généralisation du 2 nm pour les processeurs et mémoires vives pourrait offrir à de nombreux produits technologiques du quotidien un nouveau bond de performances. Les smartphones pourraient diminuer par quatre leur consommation d’énergie, permettant aux utilisateurs de ne les recharger que quelques fois par semaine.

A consommation égale, les processeurs pourraient pour leur part quadrupler leur puissance. Dans les centres de données, la propriété inverse serait utilisée : à puissance égale, la consommation (donc la facture énergétique) serait réduite de façon identique.

La densité obtenue par IBM est sans commune mesure avec ce qui se fait de mieux dans l’industrie !

Si vous avez l’habitude de voir émerger les nouvelles technologies, vous savez certainement que le chemin qui mène du laboratoire à l’industrialisation est semé d’embûches. Rien ne dit, a priori, que la prouesse d’IBM a vocation à se démocratiser.

La prudence serait effectivement de mise si l’entreprise n’avait pas l’habitude de faire émerger les technologies de gravure “sur table” avant de les céder au reste de l’industrie.

Ne l’oublions pas, c’est grâce à IBM que TSMC et Samsung ont pu maîtriser rapidement la gravure en 7 nm et en 5 nm. C’est grâce à IBM que la mémoire vive DRAM “single cell” a vu le jour. Big Blue était également pionnière des processeurs multi-cœurs, et des galettes en silicium sur isolant aujourd’hui utilisées massivement dans nos smartphones.

Il y a donc toutes les raisons de penser que cette innovation d’IBM ne restera pas longtemps un phénomène de laboratoire et que les fondeurs en profiteront bientôt.

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