La puce chinoise « foudroie Intel » avec un gain de vitesse de 40 % et impose un nouveau standard dans la course mondiale aux semi-conducteurs

Un groupe de chercheurs de l’Université de Pékin a récemment fait une avancée majeure dans le domaine des semi-conducteurs. Leur développement d’un transistor basé sur le bismuth pourrait bouleverser la conception des puces électroniques, offrant une efficacité supérieure tout en contournant les limitations du silicium. Ce transistor, qui se veut 40 % plus rapide que les dernières puces en silicium de 3 nanomètres d’Intel et de TSMC, consomme également 10 % d’énergie en moins. Cette innovation prometteuse pourrait permettre à la Chine de contourner les défis liés à la fabrication de puces en silicium.

Un nouveau transistor pour contourner les barrières du silicium

Le transistor basé sur le bismuth, développé par l’équipe chinoise, surpasse les puces commerciales les plus avancées d’Intel, TSMC, Samsung et du Centre interuniversitaire de microélectronique de Belgique. Contrairement aux transistors traditionnels à base de silicium qui rencontrent des difficultés en termes de miniaturisation et d’efficacité énergétique à des échelles extrêmement réduites, ce nouveau design offre une solution sans ces contraintes.

Peng Hailin, professeur de chimie physique à la tête de l’équipe de recherche, explique que les sanctions imposées par les États-Unis ont limité l’accès de la Chine aux transistors en silicium les plus avancés. Cependant, ces restrictions ont également poussé les chercheurs chinois à explorer des solutions alternatives. L’équipe a ainsi développé un transistor à effet de champ tout autour de grille (GAAFET) à l’aide de matériaux à base de bismuth. Ce design marque une rupture significative avec la structure FinFET, standard de l’industrie depuis sa commercialisation par Intel en 2011.

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Vers une nouvelle ère technologique des puces

Les limitations des puces à base de silicium deviennent de plus en plus évidentes à mesure que l’industrie tente de dépasser une densité d’intégration de 3 nanomètres. La nouvelle structure GAAFET élimine le besoin de l’élément « fin » utilisé dans les conceptions FinFET, augmentant ainsi la surface de contact entre la grille et le canal. Les chercheurs comparent ce changement à l’échange de bâtiments élevés pour des ponts connectés, facilitant ainsi le déplacement des électrons.

Pour optimiser davantage la performance, les chercheurs ont opté pour des matériaux semi-conducteurs 2D. Ces matériaux, dotés d’une épaisseur atomique uniforme et d’une mobilité supérieure par rapport au silicium, représentent une alternative viable pour les puces de prochaine génération. Toutefois, les tentatives précédentes d’utilisation de matériaux 2D dans les transistors ont rencontré des défis structurels limitant leur efficacité.

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La fabrication et l’efficacité énergétique des transistors

L’équipe de l’Université de Pékin a surmonté ces obstacles en développant ses propres matériaux à base de bismuth, notamment le Bi2O2Se et le Bi2SeO5, qui servent respectivement de semi-conducteur et de matériau d’oxyde à haute constante diélectrique. La haute constante diélectrique de ces matériaux réduit la perte d’énergie, minimise les besoins en tension et améliore la puissance de calcul tout en réduisant la consommation d’énergie.

Les chercheurs ont fabriqué leurs transistors expérimentaux à l’aide de la plateforme de traitement de haute précision de l’université. Les résultats ont été validés par des calculs de théorie fonctionnelle de la densité (DFT), qui ont confirmé que l’interface matérielle Bi2O2Se/Bi2SeO5 présentait moins de défauts et un flux d’électrons plus fluide que les interfaces semi-conducteur-oxyde existantes.

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Perspectives et défis futurs

Avec des transistors basés sur cette technologie capables de fonctionner 1,4 fois plus vite que les puces à base de silicium les plus avancées tout en consommant 90 % de leur énergie, l’équipe de l’Université de Pékin travaille maintenant à l’extension de la production. Ils ont déjà construit de petites unités logiques utilisant les nouveaux transistors, démontrant un gain de tension élevé à des tensions de fonctionnement ultra-basses.

Cette avancée technologique pourrait bien marquer le début d’une nouvelle ère pour l’industrie des puces. Toutefois, la mise à l’échelle de cette innovation pour une production de masse et son intégration dans les chaînes d’approvisionnement mondiales restent des défis à relever. La question qui se pose maintenant est de savoir comment cette innovation influencera-t-elle le paysage mondial des semi-conducteurs et quelles seront les réactions des principaux acteurs de l’industrie ?