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← Les puces électroniques du futur s'auto-assembleront

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Showing Revision 41 created 03/17/2020 by eric vautier.

  1. Avant, les ordinateurs prenaient
    la taille d'une pièce entière.
  2. À présent, ils rentrent dans votre poche
  3. ou sur votre poignet.
  4. Ils peuvent même être
    implantés à l'intérieur de votre corps.
  5. Ce n'est pas génial ?
  6. Et c'est possible grâce à
    la miniaturisation des transistors,
  7. c'est-à-dire les petits interrupteurs

  8. dans les circuits
    au cœur de nos ordinateurs.
  9. On y est arrivé grâce à des
    décennies de développement,
  10. de découvertes scientifiques
    et d'ingénierie,
  11. et aussi grâce à des
    milliards de dollars d'investissement.
  12. Cela nous a donné
    une vaste quantité d'informatisation,
  13. beaucoup de mémoire,
  14. et la révolution numérique que
    nous vivons et apprécions actuellement.
  15. Mais la mauvaise nouvelle est

  16. qu'on arrive dans une impasse numérique
  17. car la vitesse de miniaturisation
    des transistors ralentit.
  18. Et ça se produit précisément au moment où
  19. nos innovations en matière de logiciels
    sont en croissance constante
  20. avec notamment l'intelligence
    artificielle et le big data
  21. et où nos appareils savent faire
    une identification faciale,
  22. augmentent notre réalité
  23. ou conduisent même des voitures
    sur des routes dangereuses et chaotiques.
  24. C'est incroyable.
  25. Mais, si on ne suit pas le rythme
    de progression de nos logiciels,
  26. on pourrait arriver à un point
    dans notre développement technologique
  27. où les choses qu'on pourrait faire
    avec les logiciels seraient limitées
  28. par le matériel.
  29. Nous avons tous vécu la frustration
    d'un vieux smartphone ou une tablette

  30. qui s’épuise lentement
    jusqu’à s'arrêter de fonctionner
  31. sous le poids toujours croissant des
    mises à jour et nouvelles fonctionnalités.
  32. Malgré ça, il marchait bien quand vous
    l'avez acheté, il n'y pas si longtemps.
  33. Mais les développeurs avides ont
    consommé toutes les capacités matérielles
  34. au fil du temps.
  35. L'industrie des semi-conducteurs
    en est parfaitement consciente
  36. et travaille sur toutes
    les solutions possibles,
  37. comme passer des transistors
    à l'informatique quantique,
  38. ou même utiliser des transistors
    avec des architectures différentes
  39. comme les réseaux neuronaux
  40. afin de créer des circuits
    plus robustes et plus efficaces.
  41. Toutefois, ces approches
    vont prendre du temps,
  42. et nous cherchons une solution
    bien plus rapide à ce problème.
  43. La raison pour laquelle la miniaturisation
    des transistors ralentit

  44. est la complexité toujours croissante
    du processus de fabrication.
  45. Autrefois, le transistor était un appareil
    gros et volumineux,
  46. jusqu'à l'invention du circuit intégré,
  47. qui repose sur l'utilisation de tranches
    de silicium cristallin pur.
  48. Et après 50 ans de développement constant,
  49. on peut enfin fabriquer
    des transistors dont les dimensions
  50. sont réduites à 10 nanomètres.
  51. On peut mettre plus
    d'un milliard de transistors
  52. dans un seul millimètre carré de silicium.
  53. À titre de comparaison :
  54. un cheveu humain
    a une largeur de 100 microns.
  55. Un globule rouge,
    qui est pratiquement invisible,
  56. fait 8 microns de largeur,
  57. et on peut en placer 12
    sur la largeur d'un cheveu humain.
  58. Mais, en comparaison,
    un transistor est beaucoup plus petit,
  59. sa taille est une minuscule fraction
    de la largeur d'un micron.
  60. On pourrait mettre plus de 260 transistors
  61. sur un seul globule rouge
  62. ou plus de 3 000 sur la largeur
    d'un cheveu humain.
  63. Actuellement, il y a une nanotechnologie
    incroyable dans votre poche.
  64. Et en plus de l'avantage évident
  65. de pouvoir placer un nombre énorme
    de transistors plus petits sur une puce,
  66. ces petits transistors sont
    des interrupteurs plus rapides
  67. et ils sont aussi plus performants.
  68. Ainsi cette combinaison nous a donné

  69. des prix réduits,
    de meilleures performances
  70. et une efficacité électronique plus grande
  71. dont nous bénéficions tous aujourd'hui.
  72. Pour fabriquer ces circuits intégrés,

  73. les transistors sont construits
    couche après couche,
  74. sur une tranche de
    silicium monocristallin pur.
  75. Et, pour le dire simplement,
  76. chaque petite caractéristique
    du circuit est implantée
  77. sur la surface de la tranche de silicium
  78. et est enregistrée sur une couche
    de produit photosensible
  79. et sera ensuite gravée
    grâce à ce même produit
  80. afin de laisser une trace
    sur la couche sous-jacente.
  81. Ce processus a été radicalement amélioré
    au cours de ces dernières années,
  82. pour apporter à l'électronique
    le rendement qu'on a aujourd'hui.
  83. Mais au fur et à mesure que
    les composants du transistor diminuent,

  84. on s'approche vraiment
    des limites physiques
  85. de cette technique de fabrication.
  86. Récemment, les appareils employés
    pour ce processus de fabrication
  87. sont devenus tellement
    complexes qu'ils coûtent
  88. plus de 100 millions de dollars chacun.
  89. Et les usines de semi-conducteurs
    possèdent des dizaines de ces appareils.
  90. La question qui se pose est :
  91. cette approche est-elle
    soutenable à long terme ?
  92. On pense pouvoir fabriquer des puces
  93. d'une façon complètement différente
    et plus rentable
  94. en utilisant l'ingénierie moléculaire
    et en imitant la nature
  95. à l'échelle nanométrique
    de nos transistors.
  96. Comme je l'ai dit,
    lors de la fabrication typique,

  97. chaque petite caractéristique du circuit
    est projetée sur le silicium.
  98. Mais si on regarde
    la structure d'un circuit intégré,
  99. la matrice du transistor,
  100. beaucoup de ces caractéristiques
    se répètent des millions de fois.
  101. C'est une structure
    essentiellement périodique.
  102. Donc nous voulons exploiter
    cette périodicité
  103. pour notre technique
    alternative de production.
  104. On veut utiliser des matériaux
    qui s'auto-assemblent
  105. pour construire de façon naturelle
    les structures périodiques
  106. nécessaires à nos transistors.
  107. On fait ça avec les matériaux,
  108. puis ils créent eux-mêmes
    les schémas précis
  109. au lieu de pousser la technologie
    de projection au-delà de ses limites.
  110. L'auto-assemblage se retrouve
    dans la nature, en différents endroits,
  111. dans les membranes lipidiques
    ou la structure cellulaire,
  112. donc on sait qu'il s'agit
    d'une solution viable.
  113. Si c'est assez bien pour la nature,
    ça devrait aussi l'être pour nous.
  114. Donc nous voulons utiliser
    cet auto-assemblage robuste et naturel
  115. et nous en servir pour la fabrication
    de notre technologie de semi-conducteurs.
  116. Un de ces matériaux auto-assemblant,

  117. le copolymère à blocs,
    se compose de deux chaînes polymères
  118. de quelques dizaines de nanomètres
    de longueur.
  119. Mais ces chaînes se détestent.
  120. Elles se repoussent,
  121. comme l'eau et l'huile ou
    mon fils adolescent et sa sœur.
  122. (Rires)

  123. Mais, d'une façon cruelle,
    on les relie entre elles,

  124. créant ainsi une frustration
    intrinsèque au système,
  125. alors qu'elles cherchent à se séparer.
  126. Dans cette matière première,
    il y a des milliards de ces chaînes
  127. et les chaînes similaires
    essaient de rester ensemble.
  128. Par contre, celles qui s'opposent
    cherchent à se séparer
  129. et ce en même temps.
  130. Cela provoque une frustration interne,
    une tension dans le système.
  131. Et donc elles se déplacent et se
    tortillent jusqu'à qu'une forme se crée.
  132. La forme naturelle auto-assemblée qui
    se constitue est à l'échelle nanométrique
  133. régulière, périodique et à long terme,
  134. et c'est précisément ce dont on a besoin
    pour nos matrices de transistors.
  135. Ainsi on peut utiliser
    l'ingénierie moléculaire

  136. pour élaborer des formes diverses
    de tailles différentes
  137. et de périodicités différentes.
  138. Ainsi, par exemple, si on prend
    une molécule symétrique
  139. où les deux chaînes de polymères
    ont la même longueur,
  140. la structure auto-assemblée
    qui se constitue naturellement
  141. sera une longue ligne sinueuse,
  142. semblable à une empreinte digitale.
  143. La largeur des lignes
    de cette empreinte digitale
  144. et la distance entre ces lignes
  145. sont déterminées par la longueur
    des chaînes de polymères
  146. mais aussi par le niveau de frustration
    interne du système.
  147. On peut même créer
    des structures plus élaborées,

  148. si on emploie des molécules asymétriques,
  149. où une chaîne de polymères est
    bien plus courte que l'autre.
  150. La structure auto-assemblée
    qui se forme dans ce cas
  151. constitue une boule resserrée,
    avec les petites chaînes au milieu,
  152. entourée par les chaînes de polymères
    opposées, plus longues,
  153. constituant ainsi un cylindre naturel.
  154. Et la taille du cylindre,
  155. et la distance entre les cylindres,
    la périodicité,
  156. sont à nouveau déterminées
    par la longueur des chaînes
  157. et par le niveau de frustration interne.
  158. Autrement dit, on utilise
    l'ingénierie moléculaire

  159. pour auto-assembler
    des structures nanométriques
  160. en forme de lignes ou de cylindres selon
    la taille et périodicité de notre design.
  161. On utilise la chimie,
    l'ingénierie chimique,
  162. pour fabriquer les nano-éléments
    nécessaires pour nos transistors.
  163. Cependant, la capacité
    d'auto-assemblage de ces structures

  164. ne règle qu'à moitié le problème
  165. parce qu'on a encore besoin
    de positionner ces structures
  166. là où on veut les transistors
    dans le circuit intégré.
  167. Mais cela peut se faire assez facilement
  168. à l'aide de larges structures guides qui
    fixent les structures auto-assemblées,
  169. les maintiennent en place,
  170. et forcent le reste des
    structures auto-assemblées
  171. à se placer parallèlement
  172. et à s'aligner sur notre structure guide.
  173. Par exemple, si on veut former
    une fine ligne de 40 nanomètres,
  174. si difficile à faire avec les technologies
    de projection traditionnelles,
  175. on peut fabriquer
    une structure guide de 120 nanomètres
  176. avec la technologie
    de projection classique,
  177. et cette structure alignera trois lignes
    de 40 nanomètres dans l'intervalle.
  178. Donc, ce sont les matériaux qui font
    le travail le plus difficile.
  179. On peut appeler cette approche
    « auto-assemblage dirigé ».

  180. Le défi de l'auto-assemblage dirigé
  181. est que tout le système
    doit s'aligner presque parfaitement
  182. car un seul petit défaut dans la structure
    pourrait faire échouer le transistor.
  183. Et comme il y a des milliards
    de transistors dans notre circuit,
  184. on a besoin d'un système
    aussi parfait qu'un système moléculaire.
  185. Mais nous faisons des efforts incroyables
  186. pour y parvenir,
  187. que ce soit la propreté de notre chimie
  188. ou le traitement minutieux
    de ces matériaux
  189. dans les usines de semi-conducteurs
  190. afin d'éliminer
    le moindre défaut nanoscopique.
  191. Donc l'auto-assemblage dirigé est une
    rupture technologique prometteuse

  192. mais encore en développement.
  193. Toutefois on est de plus en plus convaincu
    qu'on pourrait en fait l'introduire
  194. dans les usines de semi-conducteurs
  195. comme un procédé de fabrication
    neuf et révolutionnaire
  196. dans les prochaines années.
  197. Si on arrive à faire ça, si on réussit,
  198. on pourra continuer
  199. avec une miniaturisation rentable
    des transistors,
  200. avec l'incroyable
    développement informatique
  201. et avec la révolution digitale.
  202. En outre, cela pourrait représenter
    l'aube d'une nouvelle ère
  203. en termes de fabrication moléculaire.
  204. Ce n'est pas génial ?
  205. Merci.

  206. (Applaudissements)