Transistors : Histoires de K.

Le K, lettre de l'alphabet latin nous vient de l'étrusque. Comme nombre de lettres latines, elle provient de l'alphabet grec ancien, plus préçisément de la lettre Kappa (à ne pas confondre avec une marque moderne).

Elle est judicieusement positionnée dans l'alphabet, en en étant la 11ème lettre. En science, et plus particulièrement dans la reine des sciences aux yeux de Descartes, la lettre K a une connotation particulière : on lui associe souvent l'idée d'une constante.

Ceci est valable également en électrostatique, où la constante K définit la permitivité d'un diélectrique. Ne partez cependant pas en courant, tout ceci, bien que pouvant vous effrayer, est assez simple à comprendre (niveau bac +1, voire même niveau terminale).

Présentation des candidats
Commençons par le commencement. Un condensateur est formé de deux armatures. Ce sont simplement des conducteurs électriques. Ils sont séparés, soit par du vide, de l'air, ou bien par un diélectrique (en fait, l'air est un diélectrique). Lorsque les charges arrivent sur les pattes du condensateur, elles s'accumulent, les charges positives d'un côté et les négatives de l'autre. Le diélectrique est un isolant, qui se place entre les deux armatures, et dont le seul rôle est de faire barrière aux charges, tout en laissant le champ électrostatique passer. Les charges se retrouvent "bloquées" sur les armatures. Le champs électrique passe : on a réussi à stocker du courant ! (si le champs électrique ne passait pas, on aurait un simple conducteur, qui comme chacun sait n'a point la capacité à stocker de l'énergie).
Mais comme la vie a une origine chimique, et qu'en chimie tout est affaire de constantes, les diélectriques laissent plus ou moins bien passer le champs électrique. Ceci grâce à l'action magique d'une constante, couramment appelée la constante K ! (en anglais, pour nous francophone on parle de C, ou plus préçisément de capacité, ce qui devrait rappeler des souvenirs à certains). Elle définie en réalité la permitivité (c'est à dire la capacité à laisser passer le champs électrique). Plus la permitivité augmente, et plus l'énergie stockée sera importante (K varie entre 1 et l'infini).

Le problème des interconnexions
Ce problème a déjà été présenté, mais faisons une piqure de rappel, directement inspirée par Onversity. Dans les processeurs, on trouve principalement des transistors. Leur rôle, changer d'état le plus rapidement possible. Et pour les relier, on trouve des interconnexions. Et, pour limiter les pertes de courant (gigantesques gouffres par ailleurs, à la grande déception d'Intel), on place un isolant pour isoler les interconnexions. Actuellement, il s'agit principalement de dioxyde de silicium (SiO2). Maintenant, rapellez vous le paragraphe précédent : conducteur + isolant = condensateur. Ainsi, sans le vouloir, on forme un condensateur. Et par voie de conséquence, on perd de l'énergie électrique (puisqu'elle reste stockée). Donc, pour limiter au maximum les pertes, on a besoin de diélectriques (l'isolant des interconnexions) avec une constante K la plus petite possible (pour ne pas stocker) ! Comme le rapelle Onversity, il existe aussi une part de responsabilité des courants de décharge. Pour résumer, si vous avez étudié les condensateurs, vous savez que le temps caractéristique d'un condensateur est défini par t = R*C avec R la résistance (ici, celle du circuit formé par l'interconnexion et l'isolant) et C la capacité du condensateur formé. Pas besoin de longue démonstration pour comprendre que si le temps de décharge est trop long, il restera du courant dans l'interconnexion, ce qui fait que le transistor ne changera pas d'état : le processeur va avoir quelques problèmes. La diminution de la capacité du condensateur formé par l'interconnexion et l'isolant, grâce à un isolant avec faible permitivité, permet de diminuer aussi le temps de décharge, puisque le temps de décharge est linéairement dépendant de cette permitivité.
Ce problème n'est pas nouveau, il ne s'agit clairement pas d'un scoop.
L'isolant le plus utilisé à l'heure actuelle, le dioxyde de silicium, admet une permitivité de l'ordre de 4,4.

Mais on t'aime bien quand même Gros-K ...
On l'a vu précédemment, l'effet condensateur généré par le couple interconnexion+isolant est dévastateur. Cependant, il est salvateur pour un transistor ! Ces derniers nécessitent d'avoir du courant sur au moins une de leurs bornes, et si possible que la différence de potentiel entre deux bornes soit la plus grande possible. Donc autant faire "réservoir à énergie" ... Le rôle même du condensateur. Seulement, vous n'êtes pas sans savoir que le Saint Graal actuel de tous les fondeurs de circuits intégrés est la réduction des finesses de gravure. Déjà arrivés à 90 nm, les prochaines grandes étapes sont 65 nm puis 45 nm. Et qui dit finesse de gravure réduite, dit bornes des transistors réduires également. Et par conséquent, moins de place pour les petites charges électriques toutes frétillantes. Donc, moins de différence de potentiel possible, et fatalement, un fonctionnement non optimal. La solution ? Mettre un condensateur dans chaque transistor ! Ou plutôt, créer des transistors qui en aient les propriétés.

Le CEA, une vraie bombe.
Commissariat à l'Energie Atomique. Le nom peut faire peur aux premiers abords, et choquer sur un site en rapport avec l'informatique (probablement à cause du terme 'commissariat'). Localisé à Grenoble, le Leti (Laboratoire d'électronique et technologies de l'information) en partenariat avec les industriels de l’Alliance Crolles 2 - à savoir : STMicroelectronics, Freescale Semiconductors et Philips Semiconductors - vient d'annoncer avoir démontré la posibilité de créer ces fameux transistors condensateurs (bientôt, une machine à café intégrée), et ce sur des galettes de silicium de 300mm (ces fameux Waffers de 300m que tout fondeur de circuits intégrés se doit d'avoir, sous peine d'être renié par sa famille, et lacéré par ses employés, ainsi que pendu sur la place publique). Le tout avec des finesses de gravure de 32 nm à 45 nm. Chef du département Nanotech 300, Olivier Demolliens nous prophétie que cette technologie de transistors "High-K" pourrait être câblée avec des interconnexion "Low-K" d'ici à la fin de l'année 2005, et ce même avec des diélectriques à faible permitivité (environ 2.2). Restera à trouver un diélectrique avec ces caractérisques, et qui puisse être aussi facilement utilisé que le dioxyde de silicium.
Autre avantage, cette technologie permettra de réduire la tension d'alimentation, et augmentera la réactivité des transistors.

Liens : Microprocesseurs et Low-K
Détails de la fabrication d'un microprocesseur
Transistors et High-K
High-K Metal Gate

Source : Annonce du CEA
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12 commentaires
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    Votre commentaire
  • thelion
    Yeah, preums'

    Bon, que dire...

    J'ai rien compris, trop compliqué pour moi, ou bien il doit être trop tard...
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  • jejesniper
    ha la physique............je me rapèle de mes 4/20 en seconde.......( me parler plus jamais de moles :-( :-( )
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  • dark_tom
    je viens juste de me réveillé, et c'est donc unpeu la flemme de lire tout ca et de réfléchir. Je lirais ca lundi quand je rentrerais mais ca à l'air vachement compliqué...
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