Associé à ses partenaires, IBM Research annonce avoir mis au point une technique de gravure de seulement 7 nanomètres, (trois fois moins que dans les processeurs promis pour 2016). Un exploit technologique reposant sur de la lithographie en extrême ultraviolet et sur des transistors composés d’un alliage de silicium-germanium.

Avec ses partenaires, IBM a réussi à produire une puce gravée en 7 nm en utilisant la lithographie extrême ultraviolet. IBM ainsi prend une longueur d'avance sur ses concurrents. Ces puces à 7 nm devraient apparaître, au plus tôt, à l’horizon 2017-2018.

IBM Research a réussi à repousser les limites physiques pour la gravure des processeurs en atteignant une finesse de 7 nanomètres (nm) :

A titre de comparaison, le diamètre d’un brin d’ADN est de 2,5 nm et selon IBM, il serait possible de fabriquer des puces contenant 20 milliards de transistors !

En performances et en puissance, le gain serait d’environ 50 % par rapport à la dernière génération de processeurs qui sont gravés à 10 nm.

Voici le processeur gravé à 7 nanomètres qu’IBM a conçu avec ses partenaires (université d’État de New York, Samsung et GlobalFoundries). Une telle puce pourrait contenir jusqu’à 20 milliards de transistors et offrir une puissance 50 % supérieure à celle des processeurs actuels gravés en 10 nm. © IBM Research

Ce succès s’inscrit dans le cadre d’un programme de recherche et développement qu’IBM Research a lancé l’année dernière.

Doté d’un budget de 3 milliards de dollars, il vise, d’une part, à repousser les limites physiques de la technologie sur silicium et, d’autre part, à trouver des alternatives à ce matériau en explorant d’autres possibilités : les nanotubes de carbone, le graphène, la photonique, l’informatique quantique, les puces neurosynaptiques ou les transistors à effet de champ à grille isolée (Mosfet).

Du germanium-silicium pour augmenter la mobilité des électrons

Pour développer ce procédé de gravure à 7 nm, IBM Research a travaillé conjointement avec le College of Nanoscale Science and Engineering de l’université d’État de New York, Samsung et le fondeur Global Foundries.

La technique repose sur deux innovations clé : Il y a tout d’abord le remplacement du silicium par un alliage de silicium-germanium (GeSi) pour la fabrication du canal des transistors de type FinFET.

Sous le seuil des 10 nm, la conductivité du silicium n’est pas suffisante. L’adjonction du germanium a permis d’augmenter la mobilité des électrons et d’obtenir une circulation adéquate du courant électrique.

IBM et ses partenaires tracent  un chemin que d’autres acteurs de l’industrie des semi-conducteurs pourraient suivre, à commencer par Intel.

La deuxième innovation importante introduite avec ce processeur concerne le procédé de gravure.

Il s’agit de la lithographie en extrême ultraviolet (EUV) dont la longueur d’onde est très petite, comprise entre 10 et 15 nanomètres.

Actuellement, la lithographie la plus performante pour la gravure des puces sur silicium en 14 nm est celle utilisant un laser à fluorure d’argon (ArF) dont la longueur d’onde est de 193 nm.

Le passage à la lithographie EUV s’avère prometteur pour de la gravure à moins de 10 nm. Mais, sa mise en œuvre au sein d’un processus de fabrication industrielle est délicate et coûteuse.

Le temps d’exposition durant la gravure EUV est plus élevé aussi, il n’est pas certain que cela soit compatible avec une fabrication à haute vitesse : la plus infime vibration peut fausser la précision des systèmes optiques dirigeant le rayon pour graver des lignes à une échelle proche de celle de l’atome.

De lourds investissements seront donc nécessaires pour concevoir des lignes de production à même d’utiliser cette technologie.

L’annonce faite par IBM vient bouleverser l'industrie des semi-conducteurs.

Aujourd’hui, les fondeurs arrivent à produire des puces gravées à 14 nm.

L’objectif d’Intel et d'autres fabricants est de produire des puces à 10 nm.

«Une puce de 7 nm peut contenir dans le même espace près de quatre fois plus de transistors qu’une puce gravée à 14 nanomètres », souligne Richard Doherty, le directeur de recherche de Envisioneering, une société d'évaluation des technologies et d’études de marché.

« Si IBM maîtrise déjà la technologie de gravure à 7 nm sans passer par le 10 nm, étape visée actuellement par Intel, cela signifie que le constructeur a deux longueurs d’avance », indique M. Doherty.

Loin d'être prêtes pour  la production, les puces 7 nm pourraient être utilisées pour un usage commercial vers 2017, indique IBM avec  «une amélioration d'au moins 50% du ratio puissance/performance par rapport à la génération actuelle ».

De nouvelles techniques de lithographie

Pour créer des puces tests à 7 mn avec des transistors fonctionnels, le fondeur a « modifié fondamentalement » les matériaux utilisés pour créer la puce ; « il a recours à de nouvelles techniques de lithographie », indique, dans une interview, Mukesh Khare, Vice-président de l’activité « semi-conducteurs » chez IBM Research.

IBM a notamment utilisé un alliage silicium-germanium, qui permet d'améliorer le flux d'électrons.

Le constructeur, qui a documenté cette technique en 2004, avait dit à l'époque qu’elle pourrait permettre d’améliorer les processeurs dans les 10 ans.

L’autre grande innovation de la puce 7nm vient de l'utilisation de la lithographie extrême ultraviolet (EUVL).

La technologie de gravure optique utilisée aujourd’hui dans la production de puces a une longueur d'onde de 193 nm.

« IBM Research a cherché à faire en sorte que la réduction de taille des transistors et la mise à l'échelle puissent se poursuivre » déclare M.Khare.

« Nous voulons nous assurer que les besoins en calcul haute performance des systèmes IBM puissent être satisfaits pendant très longtemps ».

IBM n'a pas révélé son calendrier de développement commercial, mais le constructeur a indiqué qu'il repousserait les limites de la technologie «« au-delà » du 7 nm.

Passer à la production de masse

Depuis 50 ans, la loi de Moore prédit de façon fiable que, tous les deux ans, la technologie permettra de placer deux fois plus de transistors sur un processeur.

Mais alors que la taille des puces atteint les limites de la physique, les coûts de production augmentent, et les fabricants de puces cherchent de nouvelles technologies pour continuer à améliorer les performances du calcul informatique.

« Le test essentiel sera de voir si IBM est capable de valider sa technologie pour la production de masse », souligne Roger Kay, analyste chez Endpoint Technologies.

Pour la firme, « l’étape suivante est difficile » en raison du coût et de la complexité de l'équipement nécessaire pour cette production de masse », a-t-il indiqué.

Mais IBM ne sera pas seul. L'an dernier, le constructeur avait annoncé un investissement de 3 milliards de dollars sur 5 ans dans les technologies de processeurs et il travaille notamment en collaboration avec Global Foundries et Samsung.

Ses chercheurs travaillent également au Poly College of Nanoscale Science and Engineering (CNSE) de la State University de New York (Albany).

Intel n'a pas donné de détails sur ses projets de puce à 7 nm, mais le fondeur devrait livrer une puce à 10 nm plus tard cette année.

Richard Fichera, analyste chez Forrester, a déclaré « que l’avance d’IBM ne lui garantit pas de battre Intel sur le plan commercial ».

Mais « si IBM continue de travailler avec ses partenaires et à rester actif dans ce domaine, il peut faire en sorte que ses puces Power et sa plate-forme mainframe restent  très compétitives ».