Depuis des décennies, les ingénieurs travaillent à la création de transistors de plus en plus petits afin d’en intégrer un nombre toujours plus grand sur des puces informatiques, tout cela au nom d’une plus grande puissance de traitement. Maintenant, à l’ère de intelligence artificielle (IA), cet effort s’est transformé en une course tous azimuts.
Alors, quelle taille un transistor peut-il réellement atteindre ? Et est-ce que l’objectif est encore plus petit ?
Pour comprendre la réponse, vous devez d’abord savoir ce qu’est un transistor.
« Si vous prenez un ordinateur ou votre téléphone portable et que vous l’ouvrez, vous verrez qu’il y a un circuit imprimé », Suman Dattaprofesseur de génie électrique et informatique à Georgia Tech, a déclaré à Live Science.
Sur ce circuit imprimé se trouvent de petits objets rectangulaires appelés puces, et à l’intérieur de chaque puce se trouve un petit morceau de silicium. « Et dans ce silicium, si vous zoomez un million de fois… peut-être, si vous avez de la chance, vous commencerez à voir ces minuscules interrupteurs ou transistors gravés dans ce morceau de silicium », a déclaré Datta.
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Chaque transistor est en fait un interrupteur qui s’allume et s’éteint en réponse à des secousses électriques pulsées 4 milliards de fois par seconde. Les appareils modernes contiennent des milliards de transistors, et chacun d’entre eux s’allume et s’éteint selon une orchestration précise pour déplacer et stocker les 1 et les 0. Il alimente tout, depuis les recherches Google et les centres de données d’IA jusqu’à l’appareil que vous utilisez pour lire ces mots.
Plus les transistors sont petits, plus chaque puce peut en contenir et plus la vitesse et la fonctionnalité de la puce sont grandes. Alors, à quel point sont-ils devenus petits jusqu’à présent ?
« Les chercheurs ont construit des dispositifs de validation de principe dans lesquels un seul atome contrôle le flux d’électrons, bien que le reste du dispositif soit encore beaucoup plus grand. » Anton Perssonprofesseur adjoint à l’Université de technologie Chalmers en Suède, et Tara Penaun nouveau professeur assistant à l’UCLA, a déclaré à Live Science via un e-mail écrit conjointement. Cela signifie que la partie commutation d’un transistor a été réalisée à la plus petite échelle physiquement possible, même s’il n’existe pas encore de dispositif complet aussi petit. De nouveaux matériaux et approches pourraient rendre ces appareils encore plus petits. Dans une étude publiée en juin dans la revue Nature NanotechnologyPersson, Peña et leurs collègues ont utilisé des semi-conducteurs bidimensionnels constitués de bisulfure de tungstène, entre autres matériaux, pour réduire les transistors à nanoruban jusqu’à une largeur de canal de 25 nanomètres, soit environ 0,00025 la largeur d’un cheveu humain.
Les semi-conducteurs bidimensionnels sont des matériaux électriquement actifs qui n’ont qu’un ou quelques atomes d’épaisseur, et comme le courant électrique peut être contrôlé plus précisément dans une couche aussi fine, ils permettent d’utiliser des transistors plus petits que le silicium traditionnel.
Au cours de la prochaine décennie, ils s’attendent toujours à un rétrécissement des transistors en silicium, mais plus lentement que par le passé, ont-ils déclaré. « Pour aller considérablement plus petit, nous devrons peut-être éventuellement aller au-delà du silicium vers des matériaux atomiquement minces, tels que les semi-conducteurs bidimensionnels que nous étudions. »
Une foule de considérations
La taille n’est pas la seule considération ; le coût est également important. Il est extrêmement coûteux au départ de concevoir et de construire une nouvelle puce. « Nous sommes aussi intensifs en R&D que les sociétés pharmaceutiques qui dépensent des milliards de dollars pour développer un médicament », a déclaré Datta. « C’est un modèle économique très similaire. »
Il y a également des facteurs de fabrication à prendre en compte. « L’étape souvent la plus difficile consiste à produire des milliards de ces transistors de manière fiable, à une échelle et à un prix commercialement logiques », ont déclaré Persson et Peña. « Quelque chose qui fonctionne une fois dans un laboratoire ne fonctionne pas nécessairement dans une usine. »
Une autre considération est l’efficacité énergétique. « Si j’ajoute de plus en plus de transistors sur ce petit morceau de silicium, et au niveau de chaque transistor, ils ne deviennent pas plus économes en énergie… alors quand je passe, disons, de 10 transistors à 20 transistors, mon budget de puissance doit être doublé, toutes choses étant égales par ailleurs », a déclaré Datta.
Par exemple, les derniers GPU des centres de données Nvidia consomment 1,4 kilowatts d’électricitéet on estime que la prochaine version de Nvidia consommera près d’un kilowatt de plus que cela. La moitié de cette quantité est rejetée sous forme de chaleur perdue, a déclaré Datta.
« Ce n’est donc pas seulement plus petit, plus rapide, moins cher, mais aussi plus économe en énergie », a déclaré Datta. « Il faut travailler sur les quatre vecteurs. »
La taille réduite est-elle encore l’objectif à l’ère de l’IA ?
Il existe néanmoins une limite à l’espace physique disponible pour des transistors supplémentaires, c’est pourquoi les ingénieurs se tournent vers les conceptions 3D : pensez plus grand plutôt que plus petit.
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« Au lieu de simplement rendre chaque transistor plus petit, l’idée est de plus en plus d’empiler les transistors les uns sur les autres afin qu’un plus grand nombre d’entre eux tiennent dans la même zone de puce », ont déclaré Persson et Peña. « De cette façon, nous pouvons encore rendre notre électronique considérablement plus puissante, même si chaque transistor ne rétrécit que modestement. »
Le quête de puces plus rapides et plus efficaces Cela devient de plus en plus urgent avec la croissance explosive de l’IA. Mais les transistors plus petits et les puces plus puissantes ne sont pas seulement importants pour les centres de données IA ; ils signifient également des appareils électroniques grand public plus petits et potentiellement moins chers.
« Les gens remarquent certainement les conséquences des transistors plus petits », ont déclaré Persson et Peña. « Ils peuvent consommer moins d’énergie et permettre à plus de puissance de calcul de tenir sur la même puce. Cela peut signifier une électronique plus rapide, une durée de vie de la batterie plus longue et des coûts inférieurs. Historiquement, cette combinaison a permis aux smartphones d’aujourd’hui de surpasser les superordinateurs de la taille d’une pièce d’il y a des décennies. «
Alors, quelle taille les transistors peuvent-ils atteindre ? « Nous ferons tout pour le rendre le plus petit possible tant que nous pourrons contrôler le physique« , a déclaré Datta. « Et aussi longtemps que nous le pouvons, nous trouverons un moyen de faire fonctionner l’économie. »
