Quel avenir pour la microélectronique ?

La loi de Moore, sur laquelle se fonde la révolution du numérique depuis 40 ans, n’est déjà plus applicable. Aussi, après des décennies passées à se focaliser sur la miniaturisation et l’augmentation de la vitesse de traitement de l’information, les industriels doivent inventer une nouvelle électronique et se fixer de nouveaux objectifs.

 

Alors que la miniaturisation se heurtera tôt ou tard aux limites de la physique, ce sont désormais les innovations au niveau des matériaux et des architectures, qui permettront d'augmenter les performances des circuits intégrés traditionnels. Plusieurs voies d’amélioration sont à l’étude dans les laboratoires associés à Grenoble INP (voir tableau page ci-contre), notamment la conception de nouvelles architectures de transistors (transistor à effet tunnel, multi-grilles, nanofils…) et de circuits, le développement de nouveaux concepts d’éléments logiques, etc. Le développement de nouvelles mémoires fait également à lui seul l’objet de plusieurs projets européens auxquels participe Grenoble?INP. Dans le cadre du projet européen SPOT, le laboratoire Spintec travaille, par exemple, sur des mémoires innovantes basées sur les principes de la spintronique, en exploitant la propriété quantique du spin des électrons dans le but de stocker des informations.

D’autres explorent les propriétés de matériaux alternatifs au silicium, lequel atteint ses limites, pour mettre au point un transistor plus performant. Les voies de recherche sont nombreuses mais aucune n’a réussi encore à franchir le stade du prototype de laboratoire. Parmi les matériaux à l’étude : le germanium, le graphène, d’autres matériaux 2D tels que les TMDs (Transition Metal Dichalcogenide), le SiC ou encore les nanotubes de carbone.

En attendant que ces innovations sortent des laboratoires, les scientifiques planchent également sur l’impact et la durabilité des technologies mises en œuvre. "Ainsi, on se penche par exemple sur la substitution des matériaux rares ou toxiques, ou encore sur la réduction de la consommation énergétique des composants et des circuits, qui reste un enjeu majeur pour les applications de type IoT" souligne Francis Balestra, coordinateur du projet européen Nereid.

Grenoble INP occupe justement une position forte dans les circuits intégrés à basse consommation. Ainsi, la technologie FD-SOI (Fully Depleted Silicon on Insulator), aujourd’hui portée par ST Microelectronics, et les composants multi-grilles "Fully Inverted" pour l’intégration ultime des circuits, inventés en 1987 et industrialisés ces dernières années, sont nés dans un laboratoire de l’établissement (LPCS, aujourd’hui IMEP-LaHC) dans les années 80. Ces technologies permettent de travailler à basse tension tout en ayant de très bonnes performances.

Elles permettent notamment de réduire les courants de fuite et poursuivre l’intégration des dispositifs. La technologie FD - SOI est aussi compatible avec les règles de dessins actuelles et les procédés existants pour le silicium massif. Bien que déjà matures, ces technologies poursuivent leur déploiement dans le cadre de projets européens, par exemple le projet ECSEL "Things to Do" auquel participe Grenoble INP.

 

La technologie CMOS, sur laquelle reposent les fonctions de calcul et de mémoire, ne suffit pas à poursuivre le succès de la microélectronique. L’idée de l’approche "More than Moore" est d’inverser la démarche de progression, en partant des besoins de l’application pour trouver des solutions pour les satisfaire. "Les industries dans les domaines de l’énergie, des transports, de la santé, de la sécurité, de l’internet des objets, des applications mobiles et de la fabrication industrielle ont un besoin croissant en dispositifs nanoélectroniques. Des technologies et fonctions génériques peuvent être utilisées, mais les exigences spécifiques sont de plus en plus nombreuses étant donnée la diversité des applications". Il s’agit d’intégrer, sur un même circuit, des fonctionnalités additionnelles dans le domaine des capteurs, des actionneurs, de la communication radiofréquence, de l’électronique de puissance (G2ELab), de la récupération d’énergie, des imageurs, de l’éclairage… pour donner naissance à un micro-nanosystème capable d’accomplir des tâches complexes.

Enfin, il est possible de "doper" les puces grâce à de l’intégration 3D, qui consiste à superposer plusieurs puces électroniques pour créer des composants plus puissants avec de nouvelles fonctionnalités dans un encombrement quasiment identique. Autre domaine prometteur : l’intégration sur la même puce de fonctions hétérogènes, construites avec des technologies et matériaux différents, comme des composants photoniques réalisés dans des semiconducteurs III-V et des circuits de traitement en silicium.

Si l’association du "more Moore" et du "more than Moore" offre à la microélectronique de nombreuses opportunités de croissance, la technologie CMOS se heurtera néanmoins tôt ou tard à une double limite, physique et économique. En réponse, les industriels du secteur et la communauté scientifique internationale se sont lancés depuis plusieurs années dans l'exploration de pistes nouvelles dans le domaine beyond-CMOS (ou beyond Moore). Celles-ci devraient s'avérer moins coûteuses grâce à l'introduction de nouveaux concepts n'utilisant pas l'architecture classique du transistor CMOS et les techniques de fabrication de la microélectronique silicium. Pour n’en citer que quelques-unes : la spintronique, les structures nanoélectromécaniques, l'électronique moléculaire et l'électronique quantique.