En plus de la porte de contrôle habituelle (rouge), il existe également une porte de programme (bleu). Crédit : TU Vienne
De nouveaux composants électroniques révolutionnaires peuvent être adaptés pour effectuer des tâches très différentes – une technologie parfaitement adaptée à l’intelligence artificielle.
Normalement, les puces informatiques sont constituées de composants électroniques qui font toujours la même chose. À l’avenir, cependant, plus de flexibilité sera possible : de nouveaux types de transistors adaptatifs peuvent être commutés dynamiquement pendant l’exécution pour effectuer différentes tâches logiques. Cela change fondamentalement les possibilités de conception de puces et ouvre de toutes nouvelles opportunités dans le domaine de l’intelligence artificielle, des réseaux de neurones ou même de la logique qui fonctionne avec plus de valeurs que 0 et 1.
Pour y parvenir, les scientifiques de la TU Wien (Vienne) ne se sont pas appuyés sur la technologie habituelle du silicium, mais sur le germanium. Ce fut un succès : le transistor le plus flexible au monde est désormais fabriqué avec du germanium. Il a été présenté dans la revue ACS Nano. Les propriétés spéciales du germanium et l’utilisation d’électrodes de grille de programme dédiées ont permis de créer un prototype pour un nouveau composant qui pourrait inaugurer une nouvelle ère de la technologie des puces.
Une électrode de contrôle supplémentaire change tout
Le transistor est la base de tout appareil électronique moderne : il s’agit d’un minuscule composant qui permet soit au courant de circuler, soit de le bloquer, selon qu’une tension électrique est appliquée ou non à une électrode de commande. Cela permet de construire des circuits logiques simples mais aussi des mémoires de stockage.
La façon dont la charge électrique est transportée dans le transistor dépend du matériau utilisé : soit il y a des électrons en mouvement libre qui portent une charge négative, soit un électron peut être absent des atomes individuels, de sorte que ce point est chargé positivement. C’est ce qu’on appelle alors des « trous » – ils peuvent également être déplacés à travers le matériau.
Dans le nouveau transistor de la TU Wien, les électrons et les trous sont manipulés simultanément d’une manière très spéciale : « Nous connectons deux électrodes avec un fil extrêmement fin en germanium, via des interfaces de haute qualité extrêmement propres. Au-dessus du segment de germanium, nous plaçons une électrode de grille comme celles trouvées dans les transistors conventionnels. Ce qui est décisif, c’est que notre transistor comporte une électrode de commande supplémentaire, qui est placée sur les interfaces entre le germanium et le métal. Il peut programmer dynamiquement la fonction du transistor », explique le Dr Masiar Sistani, chercheur postdoctoral dans l’équipe du professeur Walter Weber à l’Institute for Solid State Electronics de la TU Wien.
Walter Weber, Masiar Sistani et Raphael Böckle (de gauche à droite). Crédit : TU Vienne
Cette architecture de dispositif permet de contrôler séparément les électrons et les trous. « Le fait que nous utilisions du germanium est un avantage décisif », déclare Masiar Sistani. « C’est parce que le germanium a une structure électronique très spéciale : lorsque vous appliquez une tension, le flux de courant augmente initialement, comme vous vous en doutez. Après un certain seuil, cependant, le flux de courant diminue à nouveau – c’est ce qu’on appelle la résistance différentielle négative. A l’aide de l’électrode de commande, nous pouvons moduler à quelle tension se situe ce seuil. Cela se traduit par de nouveaux degrés de liberté que nous pouvons utiliser pour donner au transistor exactement les propriétés dont nous avons besoin pour le moment. »
De cette manière, par exemple, une porte NAND (une porte logique non et) peut être commutée en une porte NOR (une porte logique ni ni). « Jusqu’à présent, l’intelligence de l’électronique venait simplement de l’interconnexion de plusieurs transistors, dont chacun n’avait qu’une fonctionnalité assez primitive. À l’avenir, cette intelligence pourra être transférée à l’adaptabilité du nouveau transistor lui-même », explique le professeur Walter Weber. « Les opérations arithmétiques, qui nécessitaient auparavant 160 transistors, sont possibles avec 24 transistors grâce à cette adaptabilité accrue. De cette façon, la vitesse et l’efficacité énergétique des circuits peuvent également être considérablement augmentées.
Le groupe de recherche du professeur Weber ne travaille à la TU Wien que depuis environ deux ans. Le professeur Walter Weber s’est fait un nom international avec ses travaux sur l’électronique nouvelle et reconfigurable. Le Dr Masiar Sistani est un expert dans le domaine de l’électronique au germanium et s’est spécialisé dans la recherche sur les phénomènes de transport électronique. Ces deux domaines d’expertise sont en parfaite adéquation pour rendre possible le transistor adaptatif au germanium. « Certains détails doivent encore être optimisés, mais avec notre premier transistor au germanium programmable, nous avons prouvé que l’idée de base fonctionne vraiment. C’est une avancée décisive pour nous », déclare Masiar Sistani.
Intelligence artificielle
Ces nouvelles possibilités sont particulièrement intéressantes pour des applications dans le domaine de l’intelligence artificielle : « Notre intelligence humaine est basée sur des circuits dynamiquement changeants entre les cellules nerveuses. Avec les nouveaux transistors adaptatifs, il est désormais possible de changer les circuits directement sur la puce de manière ciblée », explique Walter Weber. La logique multivaluée peut également être implémentée de cette manière, c’est-à-dire des circuits qui fonctionnent non seulement avec 0 et 1, mais avec un plus grand nombre d’états possibles.
Une application industrielle rapide de cette nouvelle technologie est réaliste : les matériaux utilisés sont déjà utilisés dans l’industrie des semi-conducteurs aujourd’hui, et aucun processus de fabrication complètement nouveau n’est nécessaire. À certains égards, la technologie serait même plus simple qu’avant : aujourd’hui, les matériaux semi-conducteurs sont dopés, c’est-à-dire enrichis d’atomes étrangers individuels. Ce n’est pas nécessaire avec le transistor à base de germanium ; du germanium pur peut être utilisé.
« Nous ne voulons pas remplacer complètement la technologie bien établie des transistors à base de silicium par notre nouveau transistor, ce serait présomptueux », déclare Masiar Sistani. « La nouvelle technologie est plus susceptible d’être intégrée dans les puces informatiques en tant que module complémentaire à l’avenir. Pour certaines applications, il sera simplement plus économe en énergie et plus pratique de s’appuyer sur des transistors adaptatifs.
Référence : “Nanometer-Scale Ge-Based Adaptable Transistors Provide Programmable Negative Differential Resistance Enabling Multivalued Logic” par Masiar Sistani, Raphael Böckle, David Falkensteiner, Minh Anh Luong, Martien I. den Hertog, Alois Lugstein et Walter M. Weber, 27 octobre 2021, ACS Nano.
DOI : 10.1021/acsnano.1c06801
