Les puces électroniques du futur s'auto-assembleront

Les transistors qui font marcher vos portables dans vos poches sont incroyablement petits : on peut en insérer plus de 3 000 sur la largeur d'un cheveu humain. Cependant, pour suivre les innovations telles que la reconnaissance faciale et la réalité augmentée, on doit employer encore plus de capacité informatique pour les puces de nos ordinateurs - et on n'a presque plus d'espace. Dans ce discours visionnaire, Karl Skjonnemand, développeur technologique, introduit une manière radicale et nouvelle de créer des puces. « Cela pourrait représenter l'aube d'une nouvelle ère pour la fabrication moléculaire,» affirme Skjonnemand.

Avant, les ordinateurs prenaient
la taille d'une pièce entière.

À présent, ils rentrent dans votre poche

ou sur votre poignet.

Ils peuvent même être
implantés à l'intérieur de votre corps.

Ce n'est pas génial ?

Et c'est possible grâce à
la miniaturisation des transistors,

c'est-à-dire les petits interrupteurs

dans les circuits
au cœur de nos ordinateurs.

On y est arrivé grâce à des
décennies de développement,

de découvertes scientifiques
et d'ingénierie,

et aussi grâce à des
milliards de dollars d'investissement.

Cela nous a donné
une vaste quantité d'informatisation,

beaucoup de mémoire,

et la révolution numérique que
nous vivons et apprécions actuellement.

Mais la mauvaise nouvelle est

qu'on arrive dans une impasse numérique

car la vitesse de miniaturisation
des transistors ralentit.

Et ça se produit précisément au moment où

nos innovations en matière de logiciels
sont en croissance constante

avec notamment l'intelligence
artificielle et le big data

et où nos appareils savent faire
une identification faciale,

augmentent notre réalité

ou conduisent même des voitures
sur des routes dangereuses et chaotiques.

C'est incroyable.

Mais, si on ne suit pas le rythme
de progression de nos logiciels,

on pourrait arriver à un point
dans notre développement technologique

où les choses qu'on pourrait faire
avec les logiciels seraient limitées

par le matériel.

Nous avons tous vécu la frustration
d'un vieux smartphone ou une tablette

qui s’épuise lentement
jusqu’à s'arrêter de fonctionner

sous le poids toujours croissant des
mises à jour et nouvelles fonctionnalités.

Malgré ça, il marchait bien quand vous
l'avez acheté, il n'y pas si longtemps.

Mais les développeurs avides ont
consommé toutes les capacités matérielles

au fil du temps.

L'industrie des semi-conducteurs
en est parfaitement consciente

et travaille sur toutes
les solutions possibles,

comme passer des transistors
à l'informatique quantique,

ou même utiliser des transistors
avec des architectures différentes

comme les réseaux neuronaux

afin de créer des circuits
plus robustes et plus efficaces.

Toutefois, ces approches
vont prendre du temps,

et nous cherchons une solution
bien plus rapide à ce problème.

La raison pour laquelle la miniaturisation
des transistors ralentit

est la complexité toujours croissante
du processus de fabrication.

Autrefois, le transistor était un appareil
gros et volumineux,

jusqu'à l'invention du circuit intégré,

qui repose sur l'utilisation de tranches
de silicium cristallin pur.

Et après 50 ans de développement constant,

on peut enfin fabriquer
des transistors dont les dimensions

sont réduites à 10 nanomètres.

On peut mettre plus
d'un milliard de transistors

dans un seul millimètre carré de silicium.

À titre de comparaison :

un cheveu humain
a une largeur de 100 microns.

Un globule rouge,
qui est pratiquement invisible,

fait 8 microns de largeur,

et on peut en placer 12
sur la largeur d'un cheveu humain.

Mais, en comparaison,
un transistor est beaucoup plus petit,

sa taille est une minuscule fraction
de la largeur d'un micron.

On pourrait mettre plus de 260 transistors

sur un seul globule rouge

ou plus de 3 000 sur la largeur
d'un cheveu humain.

Actuellement, il y a une nanotechnologie
incroyable dans votre poche.

Et en plus de l'avantage évident

de pouvoir placer un nombre énorme
de transistors plus petits sur une puce,

ces petits transistors sont
des interrupteurs plus rapides

et ils sont aussi plus performants.

Ainsi cette combinaison nous a donné

des prix réduits,
de meilleures performances

et une efficacité électronique plus grande

dont nous bénéficions tous aujourd'hui.

Pour fabriquer ces circuits intégrés,

les transistors sont construits
couche après couche,

sur une tranche de
silicium monocristallin pur.

Et, pour le dire simplement,

chaque petite caractéristique
du circuit est implantée

sur la surface de la tranche de silicium

et est enregistrée sur une couche
de produit photosensible

et sera ensuite gravée
grâce à ce même produit

afin de laisser une trace
sur la couche sous-jacente.

Ce processus a été radicalement amélioré
au cours de ces dernières années,

pour apporter à l'électronique
le rendement qu'on a aujourd'hui.

Mais au fur et à mesure que
les composants du transistor diminuent,

on s'approche vraiment
des limites physiques

de cette technique de fabrication.

Récemment, les appareils employés
pour ce processus de fabrication

sont devenus tellement
complexes qu'ils coûtent

plus de 100 millions de dollars chacun.

Et les usines de semi-conducteurs
possèdent des dizaines de ces appareils.

La question qui se pose est :

cette approche est-elle
soutenable à long terme ?

On pense pouvoir fabriquer des puces

d'une façon complètement différente
et plus rentable

en utilisant l'ingénierie moléculaire
et en imitant la nature

à l'échelle nanométrique
de nos transistors.

Comme je l'ai dit,
lors de la fabrication typique,

chaque petite caractéristique du circuit
est projetée sur le silicium.

Mais si on regarde
la structure d'un circuit intégré,

la matrice du transistor,

beaucoup de ces caractéristiques
se répètent des millions de fois.

C'est une structure
essentiellement périodique.

Donc nous voulons exploiter
cette périodicité

pour notre technique
alternative de production.

On veut utiliser des matériaux
qui s'auto-assemblent

pour construire de façon naturelle
les structures périodiques

nécessaires à nos transistors.

On fait ça avec les matériaux,

puis ils créent eux-mêmes
les schémas précis

au lieu de pousser la technologie
de projection au-delà de ses limites.

L'auto-assemblage se retrouve
dans la nature, en différents endroits,

dans les membranes lipidiques
ou la structure cellulaire,

donc on sait qu'il s'agit
d'une solution viable.

Si c'est assez bien pour la nature,
ça devrait aussi l'être pour nous.

Donc nous voulons utiliser
cet auto-assemblage robuste et naturel

et nous en servir pour la fabrication
de notre technologie de semi-conducteurs.

Un de ces matériaux auto-assemblant,

le copolymère à blocs,
se compose de deux chaînes polymères

de quelques dizaines de nanomètres
de longueur.

Mais ces chaînes se détestent.

Elles se repoussent,

comme l'eau et l'huile ou
mon fils adolescent et sa sœur.

(Rires)

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

créant ainsi une frustration
intrinsèque au système,

alors qu'elles cherchent à se séparer.

Dans cette matière première,
il y a des milliards de ces chaînes

et les chaînes similaires
essaient de rester ensemble.

Par contre, celles qui s'opposent
cherchent à se séparer

et ce en même temps.

Cela provoque une frustration interne,
une tension dans le système.

Et donc elles se déplacent et se
tortillent jusqu'à qu'une forme se crée.

La forme naturelle auto-assemblée qui
se constitue est à l'échelle nanométrique

régulière, périodique et à long terme,

et c'est précisément ce dont on a besoin
pour nos matrices de transistors.

Ainsi on peut utiliser
l'ingénierie moléculaire

pour élaborer des formes diverses
de tailles différentes

et de périodicités différentes.

Ainsi, par exemple, si on prend
une molécule symétrique

où les deux chaînes de polymères
ont la même longueur,

la structure auto-assemblée
qui se constitue naturellement

sera une longue ligne sinueuse,

semblable à une empreinte digitale.

La largeur des lignes
de cette empreinte digitale

et la distance entre ces lignes

sont déterminées par la longueur
des chaînes de polymères

mais aussi par le niveau de frustration
interne du système.

On peut même créer
des structures plus élaborées,

si on emploie des molécules asymétriques,

où une chaîne de polymères est
bien plus courte que l'autre.

La structure auto-assemblée
qui se forme dans ce cas

constitue une boule resserrée,
avec les petites chaînes au milieu,

entourée par les chaînes de polymères
opposées, plus longues,

constituant ainsi un cylindre naturel.

Et la taille du cylindre,

et la distance entre les cylindres,
la périodicité,

sont à nouveau déterminées
par la longueur des chaînes

et par le niveau de frustration interne.

Autrement dit, on utilise
l'ingénierie moléculaire

pour auto-assembler
des structures nanométriques

en forme de lignes ou de cylindres selon
la taille et périodicité de notre design.

On utilise la chimie,
l'ingénierie chimique,

pour fabriquer les nano-éléments
nécessaires pour nos transistors.

Cependant, la capacité
d'auto-assemblage de ces structures

ne règle qu'à moitié le problème

parce qu'on a encore besoin
de positionner ces structures

là où on veut les transistors
dans le circuit intégré.

Mais cela peut se faire assez facilement

à l'aide de larges structures guides qui
fixent les structures auto-assemblées,

les maintiennent en place,

et forcent le reste des
structures auto-assemblées

à se placer parallèlement

et à s'aligner sur notre structure guide.

Par exemple, si on veut former
une fine ligne de 40 nanomètres,

si difficile à faire avec les technologies
de projection traditionnelles,

on peut fabriquer
une structure guide de 120 nanomètres

avec la technologie
de projection classique,

et cette structure alignera trois lignes
de 40 nanomètres dans l'intervalle.

Donc, ce sont les matériaux qui font
le travail le plus difficile.

On peut appeler cette approche
« auto-assemblage dirigé ».

Le défi de l'auto-assemblage dirigé

est que tout le système
doit s'aligner presque parfaitement

car un seul petit défaut dans la structure
pourrait faire échouer le transistor.

Et comme il y a des milliards
de transistors dans notre circuit,

on a besoin d'un système
aussi parfait qu'un système moléculaire.

Mais nous faisons des efforts incroyables

pour y parvenir,

que ce soit la propreté de notre chimie

ou le traitement minutieux
de ces matériaux

dans les usines de semi-conducteurs

afin d'éliminer
le moindre défaut nanoscopique.

Donc l'auto-assemblage dirigé est une
rupture technologique prometteuse

mais encore en développement.

Toutefois on est de plus en plus convaincu
qu'on pourrait en fait l'introduire

dans les usines de semi-conducteurs

comme un procédé de fabrication
neuf et révolutionnaire

dans les prochaines années.

Si on arrive à faire ça, si on réussit,

on pourra continuer

avec une miniaturisation rentable
des transistors,

avec l'incroyable
développement informatique

et avec la révolution digitale.

En outre, cela pourrait représenter
l'aube d'une nouvelle ère

en termes de fabrication moléculaire.

Ce n'est pas génial ?

Merci.

(Applaudissements)