Repousser les limites de la miniaturisation

Pentium D. C'est ainsi qu'Intel a baptisé son premier processeur grand public double c?"ur, prévu pour la rentrée. Cette puce embarquera pas moins de 230 millions de transistors sur 206 mm². Un record dans la mesure où un Pentium 4 Extreme Edition à 3,4 GHz n'en compte que 167 millions sur la même surface... Et une avancée considérable si l'on songe que la puissance de calcul d'un processeur dépend très largement de son nombre de transistors ! Les transistors constituent les composants de base des circuits intégrés (les puces). Commutateurs microscopiques à base de silicium, ils font office d'interrupteurs en laissant passer ou en bloquant le courant électrique, une double position marche/ arrêt qui correspond aux 1 et aux 0 du langage binaire de l'ordinateur. De fait, plus une puce contient de transistors, plus elle peut contenir d'éléments logiques (unités de base permettant d'effectuer des opérations élémentaires), et plus sa puissance de calcul augmente. C'est pourquoi, depuis 1971, date de la mise au point du premier prototype de microprocesseur par Intel ­ seulement 2 250 transistors ! ­, les chercheurs tentent par tous les moyens de placer plus de transistors sur leurs puces. Et si on ne veut pas augmenter la taille des puces, ou leur nombre, il n'y a qu'une seule solution : réduire la taille des transistors.

Toutes les puces sont construites à partir d'un procédé lithographique grâce auquel on dessine les circuits sur des tranches de silicium : plus le tracé de ces circuits est fin, plus on peut mettre d'éléments, donc de transistors par mm². Aujourd'hui, les fabricants de processeurs sont capables de graver ces circuits élémentaires avec une largeur de tracé de 90 nanomètres (nm) ; AMD comme Intel devraient passer dès cette année aux 65 nm pour leurs processeurs double c?"ur. Toutefois, cette miniaturisation pose des problèmes de plus en plus difficilement surmontables. Lorsqu'un transistor devient très petit, il s'apparente plus à un variateur d'intensité qu'à un interrupteur. En position marche, pas de souci : le courant circule normalement. Mais en position arrêt, du courant arrive encore à passer, en légère quantité. On dit que le transistor présente des fuites d'énergie (leakage, en anglais). Conséquence : plus une puce contient de transistors, plus elle perd d'énergie. Elle consomme plus, et dégage donc plus de chaleur. Partant de ce constat, Intel va jusqu'à prédire la fin d'un âge d'or. A l'heure actuelle, on multiplie les performances des puces par quatre tous les trois ans. Or, selon le fondeur, si on continue à utiliser les mêmes technologies pour produire les puces, ces dernières deviendront trop chaudes, et cela dès 2015.

Pour atteindre une finesse de gravure inférieure à 10 nm (les premiers échantillons de laboratoire sont prévus pour 2011), il faudra sans doute développer des procédés de fabrication différents mais aussi utiliser de nouveaux matériaux. Aujourd'hui, tous les circuits intégrés sont faits à partir de silicium, un matériau dit semi-conducteur qui, une fois purifié, est produit sous forme de lingots que l'on débite en tranches très fines, les wafers (gaufrettes, en français), sur lesquelles on grave des milliards de transistors. Ces wafers sont ensuite découpés pour obtenir des puces. Comme ce matériau possède des limites intrinsèques, les chercheurs essaient de lui trouver un successeur.

Mais cela ne suffira certainement pas. Lorsque les transistors atteindront l'échelle atomique ­ c'est-à-dire lorsqu'ils ne seront pas plus grands que quelques atomes ­, ils seront soumis à des phénomènes dits quantiques, que personne ne maîtrise encore. De plus, réduire la taille des composants est une opération qui coûte cher. C'est pourquoi les scientifiques imaginent aussi de nouvelles architectures pour les processeurs de demain. Pour Intel ou AMD, c'est un moyen à privilégier pour continuer à produire des puces toujours plus puissantes... et à moindre coût !