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Hype-kill : le graphène est génial, mais très loin de remplacer le silicium – High-teK.ca

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Les histoires sont éclos de différentes manières. Certains ressortent de l’imagination d’un journaliste, d’autres sont transmis sous forme de conseils. Certains sont basés sur des points de presse ou des informations publiées par un fabricant.

Certaines histoires arrivent parce que l’auteur est agacé – et celle-ci en est une. Plus précisément, je suis ennuyé par la façon dont les annonces de graphène sont souvent traitées comme une raison pour des prédictions optimistes illimitées et des déclarations selon lesquelles des problèmes critiques ont été résolus. Le graphène est une substance passionnante et le processus de découverte en cours est essentiel, mais je ne suis respectueusement pas d’accord avec mon collègue Sebastian – il n’y a pas de « interrupteur manquant.” Juste beaucoup de petits pas.

Structure en réseau du graphène

Oui, c’est très joli. Maintenant, laissez-le tranquille.

À l’heure actuelle, les recherches sur le graphène ont beaucoup en commun avec les recherches effectuées au début du transistor. Lorsque le transistor a été découvert, en 1947 aux Bell Labs, les trois scientifiques travaillant sur le problème savaient qu’ils avaient trouvé quelque chose de gros, mais affiner le premier transistor en un produit commercialisable a pris des années. Ce que Bardeen, Brattain et Shockley ont initialement créé, le transistor à contact ponctuel, est entièrement différent de ce que les fabricants de semi-conducteurs fabriquent aujourd’hui.

Il a fallu des décennies aux chercheurs pour trouver les meilleures façons de construire des transistors, et de nombreux matériaux, méthodes de fabrication et structures de transistors ont été créés au cours du processus. Vous n’avez probablement jamais entendu parler de la plupart d’entre eux, car CMOS, MOSFET et silicium ont gagné la partie. C’est ce même retranchement qui va les rendre extrêmement difficiles à déloger.

Une grande partie des recherches effectuées sur le graphène à ce jour se sont concentrées sur la démonstration de principes de base, comme s’il pouvait être utilisé dans un transistor. C’est un travail important, mais ce n’est qu’une petite étape dans un énorme processus. La feuille de route technologique internationale pour les semi-conducteurs (ITRS) ne parle pas de ce genre de choses ; leur public cible en est déjà conscient. Pour comprendre les défis auxquels est confronté tout remplacement de silicium, vous devez d’abord comprendre à quel point les transistors sont uniques.

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Voici une réplique du premier transistor (le transistor original des Bell Labs est illustré ci-dessus) :

Réplique du premier transistor - Photo publiée avec l'aimable autorisation de Wikipedia

Des entreprises comme Intel, TSMC et GlobalFoundries en regroupent désormais plusieurs milliards dans une zone plus petite que votre vignette, et nous la traitons comme une autre mesure des rendements globaux. La familiarité nous a tous rendus un peu complaisants. En réalité, rien – rien autre dans l’histoire de l’humanité a évolué comme des transistors. L’analogue humain le plus proche était l’ego de Donald Trump, et Intel a pris les devants dans cette course quand il lancé 22nm plus tôt cette année.

Silicium contraint

La production de masse d’électronique s’est tournée vers le silicium car il s’agit d’une solution équilibrée et peu coûteuse. La raison pour laquelle des matériaux comme le silicium-germanium (SiGe), l’arséniure de gallium (GaAs) et d’autres métaux III-V sont maintenant à nouveau envisagé C’est parce que les avantages qu’ils ont toujours offerts par rapport au silicium peuvent devenir plus importants pour la mise à l’échelle future que les faiblesses qui les ont tenus à l’écart au cours des cinquante dernières années. Même ainsi, ces considérations sont préliminaires – des innovations telles que le silicium contraint, illustré ci-dessus, ont encore prolongé la viabilité du silicium.

Le fait est que les capacités et caractéristiques générales de ces matériaux alternatifs sont bien connues. Les intégrer ne sera ni simple ni facile, mais les lacunes dans les connaissances actuelles en matière de fabrication et la capacité de production ne sont que cela – des lacunes. Le graphène, en revanche, est une inconnue géante. Une plaquette de silicium passe par des centaines d’étapes entre le moment où elle est extraite d’une pépite et sa distribution finale en tant que microprocesseur. Au cours de ces étapes, il est gravé, poli, baigné de produits chimiques, dopé d’impuretés, chauffé, refroidi, testé et coupé.

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Tous ces processus sont gérés par des machines qui ont été réglées à des degrés de précision qui ont été littéralement impossible il y a cinquante ans, et ils expulsent beaucoup de silicium. En 2012, la capacité mondiale estimée de démarrage de tranches par mois (en équivalents de tranches de 200 mm) était de 13,62 millions de tranches. La production mondiale actuelle de plaquettes de graphène, également en équivalents de 200 mm, n’est que légèrement supérieure à zéro. Plusieurs universités ont mis au point des méthodes; Penn State a annoncé avoir produit avec succès une plaquette de graphène de 100 mm en 2010.

C’est une étape cruciale, mais ce n’est qu’une étape. L’écart entre les structures de graphène simples et la capacité de construire 50 000 processeurs de classe Core i7 par mois avec une densité de défauts compétitive avec le silicium moderne est aussi grand que l’écart entre l’Ivy Bridge d’aujourd’hui et le 8086 d’origine.

Si un ingénieur d’Intel se rendait à une réunion du conseil d’administration et disait : « J’ai compris comment nous pouvons utiliser le graphène pour conduire encore 20 ans de mise à l’échelle Dennard classique, mais seulement si nous dépensons 20 milliards de dollars dans de nouveaux équipements, innovons sur un modèle à 5 $ milliard de nouvelles installations, et envoyer à Jerry Sanders, ex-PDG d’AMD, une vidéo d’Andy Grove dansant la Macarena en robe de mariée avec Andy en robe », cet accord serait signé en quelques secondes. Si Intel obtenait des droits de brevet exclusifs, ils ajouteraient probablement une vidéo de Pat Gelsinger faisant le congo en string. Cela en vaudrait la peine.

Malheureusement, compte tenu de ce que nous savons actuellement, voici à quoi ressemblerait cette nouvelle installation :

Salle blanche vide (GlobalFoundries Fab 8)

Même si nous savions que le graphène pourrait remplacer complètement le silicium, les outils pour y parvenir n’existent littéralement pas encore. Même si les outils existants peuvent être modernisés, les installations dans lesquelles ces outils résident peuvent elles-mêmes nécessiter des modifications pour se conformer aux nouvelles meilleures pratiques. Les fabricants de semi-conducteurs ne peuvent pas se permettre de s’arrêter et de voir si le graphène peut rattraper les pratiques existantes, ce qui signifie que les objectifs que le graphène doit atteindre pour être qualifié de technologie de remplacement changent constamment.

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Calmar géant : notre sauveur du silicium ?Si le silicium est analogue au bois en termes de flexibilité, de prix et d’utilité, essayer de construire avec du graphène revient plus à utiliser du calmar. Cela signifie qu’il faudra un certain temps pour comprendre, et beaucoup de gens doutent que le résultat final en vaille la peine.

Nous pourrions voir de simples prototypes de recherche sur le graphène dans 2-3 ans, des prototypes commerciaux dans 7-10 ans. Les fabricants ont tendance à utiliser des structures simples comme SRAM ou NAND lorsqu’ils testent les premiers nœuds de processus, c’est donc là que nous regarderons en premier. Comme pour les OLED, vous pouvez vous attendre à une longue fenêtre de battage médiatique, et il y a encore beaucoup de problèmes qui pourraient s’avérer insolubles. Le point, cependant, est que nous ne sais pas, et nous ne le saurons pas avant un moment. Le graphène pourrait être la pierre angulaire de la technologie du 21e siècle – ou un produit de niche avec des caractéristiques intrigantes mais trop de défauts pour une utilisation généralisée. C’est plus ou moins exactement ce que les gens ont dit à propos du transistor, et évidemment ce pari s’est plutôt bien passé.

Mais nous n’allons pas découvrir le graphène la semaine prochaine, ni même l’année prochaine. Cela pourrait facilement être la prochaine décennie. Alors en attendant, pourrions-nous avoir un peu de calme et de tranquillité ?

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