Cet article traite des bases des puces informatiques et se concentre sur les matériaux utilisés lors de leur fabrication ainsi que sur les dernières avancées dans ce domaine particulier.
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Introduction aux puces informatiques
Une puce informatique est une forme compacte de circuit électronique, également caractérisée comme un circuit intégré (CI), qui est l'une des unités de base de la plupart des équipements électroniques, en particulier des ordinateurs. Ces puces sont également appelées micropuces. Les puces informatiques sont compactes et composées de semi-conducteurs, qui comprennent plusieurs éléments minuscules tels que des transistors et sont utilisés pour envoyer des paquets de données électriques. Ils ont gagné en popularité dans la dernière partie du XXe siècle en raison de leur petite taille, de leur grande efficacité et de leur facilité de fabrication.
Classification fondamentale des puces informatiques
Il existe différents types fondamentaux de ces puces, y compris les micropuces analogiques, fonctionnelles numériquement et les puces informatiques à transmission de signaux mixtes. Ces différentes classes régissent la manière dont elles envoient des messages et diffèrent dans leurs processus opérationnels et fonctionnels. Leur catégorisation affecte considérablement leurs performances et leur compacité, la puce informatique numérique étant la plus compacte, la plus efficace, la plus robuste et la plus largement utilisée, transférant les paquets de données sous la forme d'une séquence de uns et de zéros.
Quel matériau est abondamment utilisé pour fabriquer des puces informatiques ?
Le silicium est abondamment présent et est la substance la plus utilisée pour la fabrication de puces informatiques. Le silicium est un semi-conducteur naturel. L'injection d'imperfections dans le silicium peut modifier ses caractéristiques électriques, une technique connue sous le nom de dopage. En raison de ces propriétés, c'est une substance efficace pour la fabrication de transistors.
Les plaquettes ou plates-formes de silicium qui servent de base aux micropuces sont composées de silicium, tandis que les fils métalliques utilisés pour connecter les sections des circuits sont en aluminium ou en cuivre. Le silicium est un semi-conducteur très répandu, ce qui signifie qu'il transmet ou isole l'électricité, et le sable de plage typique a une grande concentration de silicium.
Le silicium est nettoyé, fondu et refroidi dans un lingot avant d'être utilisé pour produire des micropuces. Les lingots sont ensuite découpés en tranches de 1 millimètre d'épaisseur. Ces tranches sont nettoyées comme un miroir avant de passer par une procédure sophistiquée pour générer des puces.
Cela comprend la photolithographie, qui imprime des structures sur des plaquettes ; l'implantation ionique, qui modifie les caractéristiques électriques du silicium à des endroits spécifiques ; la gravure, qui élimine le silicium inutile ; et la construction de portes transitoires. Après cela, le circuit métallique est attaché. Les circuits métalliques peuvent être trouvés dans plus de 30 couches sur certaines puces informatiques. Les transistors en carbone seraient de taille réduite, permettant aux charges de passer avec une restriction minimale. Cela permettrait aux gadgets de s'allumer et de s'éteindre plus rapidement.
Limitations
Histoires liées
Bien que le silicium puisse être largement utilisé pour les puces informatiques, en raison de certaines limitations, des alternatives sont en cours d'élaboration. Les puces de silicium ne sont économiques que si elles sont minuscules.
Les fours au silicium deviennent 10 fois plus chers toutes les années. De plus, il est difficile de concilier avec d'autres éléments en temps opportun et de manière rentable. Les atomes de silicium isolés ont une limite physiquement exigeante (environ 0,2 nm), mais leur activité devient imprévisible et difficile à maintenir dans certaines conditions. Sans la possibilité de réduire davantage la taille des circuits intégrés, le silicium ne peut pas continuer à produire les avantages qu'il a jusqu'à présent.
Puces informatiques à nanotubes de carbone
En 2019, les chercheurs se sont concentrés sur les nanotubes de carbone pour la fabrication de micropuces informatiques car ils offrent des avantages majeurs en termes de consommation d'énergie. Les nanotubes de carbone sont presque aussi fins qu'un atome. Ils transportent également très bien les charges électriques. En conséquence, ils produisent des transistors semi-conducteurs supérieurs par rapport au silicium.
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Les composants électroniques à base de nanotubes de carbone pourraient théoriquement être trois fois meilleurs que les puces informatiques en silicium en termes de vitesse de traitement. Ils utiliseraient également environ un tiers de l'énergie utilisée par les processeurs au silicium.
Puces informatiques nanomagnétiques
Les puces informatiques à base de nano-aimants devraient bientôt remplacer les puces informatiques à base de silicium. Les nanoaimants utilisent la technologie nanomagnétique pour transmettre et traiter les données. Pour ce faire, ils utilisent des modes magnétiques commutables qui sont photolithographiquement collés aux réseaux système d'un circuit.
La logique nanomagnétique fonctionne de la même manière que les semi-conducteurs à base de silicium, sauf qu'au lieu d'activer et de désactiver les transistors pour générer des données binaires, les niveaux de magnétisation sont commutés. Ces données binaires peuvent être interprétées via des couplages dipôle-dipôle (la connexion entre les pôles nord et sud de chaque aimant). La logique nanomagnétique consomme relativement peu d'énergie puisqu'elle ne dépend pas d'un courant électrique. Lorsque les questions environnementales sont prises en compte, cela en fait le substitut approprié.
Outre les matériaux mentionnés ci-dessus, des micropuces à couches minces de zéolithe font également l'objet de recherches en raison de leur faible constante diélectrique et de leur efficacité supérieure.
Dernières avancées de la recherche
Les technologies d'intégration de puces informatiques de matériaux 2D ont été discutées dans les dernières recherches publiées par David J. Moss. L'électronique embarquée à l'échelle de la puce, qui a un faible encombrement, des besoins énergétiques réduits et une production peu coûteuse en raison d'une production généralisée, a eu un impact significatif sur nos modes de vie modernes.
Bien que les semi-conducteurs à oxyde métallique traditionnels, tels que le silicium, aient influencé les dispositifs intégrés, ils sont soumis à plusieurs restrictions matérielles inhérentes. D'autres intégrations matérielles sur puce se sont révélées être une méthode attrayante pour surmonter ces problèmes.
Depuis le développement révolutionnaire des nanoparticules telles que le graphène, les matériaux multicouches 2D ont piqué la curiosité de la majorité, et la catégorie des matériaux est en pleine expansion. Comparées à leurs homologues en vrac, les alternatives 2D présentent de nombreuses qualités exceptionnelles, notamment un transport de charge ultra-élevé, des bandes interdites sensibles en couches, une asymétrie importante, une bande passante, une diffusion photonique minimale et des caractéristiques d'absorption non linéaire exceptionnelles.
Leur forme fine inhérente favorise en outre l'intégration haute densité et les performances basse consommation. L'utilisation de matériaux 2D sur des composants électroniques traditionnels tels que les puces informatiques combine la combinaison parfaite.
Les matériaux 2D avantageux incluent le graphène, l'oxyde de graphène, les dichalcogénures de métaux de transition, le phosphore noir ainsi que le nitrure de bore hexagonal, les Mxènes, les pérovskites et les structures organométalliques. Ces matériaux ont été utilisés pour les couches minces, les micropuces, les transistors à effet de champ, les micro-supercondensateurs et les matériaux de stockage d'énergie.
L'avenir des puces informatiques
La pénurie de puces en silicium a entraîné une flambée des prix des composants informatiques et des gadgets électroniques impliquant des liaisons informatiques. En utilisant une technologie révolutionnaire de puce informatique en silicium, nous pourrons peut-être créer des ordinateurs quantiques à peu de frais et fréquemment à l'avenir. L'Université de Melbourne a étudié cette approche.
L'approche des puces informatiques en silicium peut générer des configurations à grande échelle de particules numérotées qui peuvent être manipulées et vues pour que leurs états quantiques soient modifiés, liés et lus. Cela permettra aux ingénieurs de concevoir des fonctions de logique quantique parmi de vastes réseaux de particules subatomiques tout en maintenant des opérations très précises dans l'ensemble du système.
Références et lectures complémentaires
Innovation News Network, 2022. Advancements in quantum computing with silicon computer chip.[En ligne] Disponible sur : https://www .innovationnewsnetwork.com/advancements-quantum-computing-silicon-computer-chip/17003/
Mousse, David. 2022. Technologies d'intégration pour les puces avec des matériaux 2D. Prépublications OSF. Disponible sur : https://osf.io/tqmes/
Nisar, Muhammad Shemyal, et al. 2021. Dispositifs photoniques intégrés sur puce basés sur des matériaux à changement de phase. Photonique. 8(6). 205. Institut pluridisciplinaire d'édition numérique. 2021. Disponible sur : https://www.mdpi.com/2304-6732/8/6/205
Norton, M. G. 2021. Le silicium : le matériau de l'information. Dans dix matériaux qui ont façonné notre monde. 177-195. Springer, Cham. https://link.springer.com/book/10.1007/978-3-030-75213-2
Xiang, Shen, et al. 2021. Tendance de développement du domaine de recherche sur les matériaux 2D basée sur des projets financés par la National Science Foundation. Orientation scientifique 16(6). 1-15. Disponible à : 10.15978/j.cnki.1673-5668.202106002
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