Dans le cadre de ce qui est l’un des progrès les plus importants dans la conception des transistors, la société Intel a annoncé aujourd’hui qu’elle faisait appel à deux matériaux résolument nouveaux pour fabriquer les parois isolantes et les portes logiques de ses transistors gravés en 45 nanomètres (nm). Les nouvelles générations des processeurs Intel Core 2 Duo, Intel Core 2 Quad et Xeon comporteront ainsi plusieurs centaines de millions de ces transistors microscopiques. L’entreprise a également indiqué qu’elle disposait de cinq versions initiales pleinement fonctionnelles, qui déboucheront au total sur la sortie de quinze processeurs gravés en 45 nm.

Cette prouesse technique lui permettra de continuer à proposer des records de vitesse sur processeurs pour micro-ordinateurs et serveurs, tout en réduisant les pertes de courant au niveau des transistors, susceptibles en effet d’entraver la conception de puces et d’ordinateurs plus petits, moins consommateurs d’énergie, plus silencieux et plus économiques. Cette avancée assure aussi la pérennité de la loi de Moore (selon laquelle le nombre des transistors d’une puce double tous les deux ans environ) au moins jusqu’à la prochaine décennie.

Avec ces premières versions opérationnelles de processeurs gravés en 45 nm, Intel estime par ailleurs avoir consolidé son avance de plus d’un an sur le reste du secteur des semi-conducteurs. Ces modèles cibleront cinq créneaux différents de l’informatique et fonctionnent sous les systèmes d’exploitation Windows* Vista*, Mac OS* X, Windows* XP et Linux. Intel confirme également son calendrier de production, qui prévoit la mise en œuvre industrielle du 45 nm au second semestre de cette année.

Matériau à forte constante diélectrique et portes métalliques

La société Intel est la première à employer un ensemble de nouveaux matériaux qui réduisent très largement les fuites de courant au niveau des transistors et qui renforcent les performances des puces gravées en 45 nm. Elle fera ainsi appel à un nouveau matériau dit « à forte constante diélectrique » (k) pour la porte des transistors et à une combinaison de plusieurs matériaux métalliques pour l’électrode de celle-ci.

Gordon Moore, cofondateur d’Intel : « Le recours à des matériaux à forte constante diélectrique et métalliques marque la plus importante évolution dans la technologie des transistors depuis l’arrivée, à la fin des années soixante, des transistors MOS à grille de silicium polycristallin. »

Les transistors sont de minuscules commutateurs qui traitent les 1 et les 0 du numérique. La « porte » d’un transistor allume et éteint celui-ci, tandis que le « diélectrique de porte » est un isolant placé en dessous, qui le sépare du circuit où passe le courant. La conjugaison de portes métalliques et d’un diélectrique de porte à forte constance k se traduit par des transistors qui n’accusent que de très faibles pertes de courant et qui dégagent des performances record.

Mark Bohr, Director of Process Architecture and Integration : « Avec la progression géométrique du nombre de transistors sur les puces de silicium, notre secteur cherche des solutions pour réduire les pertes de courant. Or nos ingénieurs et concepteurs sont parvenus à un résultat tout à fait remarquable, qui assure aux produits et à l’innovation Intel une position prépondérante. La production de transistors à forte constante diélectrique et à portes métalliques dans le cadre de la gravure en 45 nm permettra en effet à Intel de proposer des puces multicœurs encore plus rapides et dotées d’un rendement électrique encore plus élevé, qui s’inscrivent dans la lignée des processeurs Intel Core 2 et Xeon et qui confirment la loi de Moore pour une bonne partie de la prochaine décennie au moins. »

A titre d’illustration, environ quatre cents des transistors d’Intel gravés en 45 nm peuvent loger sur une surface équivalente à celle d’un globule rouge de sang humain. Par comparaison, la technique de gravure la plus perfectionnée voici à peine dix ans était le 250 nm et les transistors correspondants étaient d’une taille environ 5,5 fois supérieure et d’une superficie trente fois plus grande que ceux sur lesquels porte l’annonce d’aujourd’hui.

Le fait que, conformément à la loi de Moore, le nombre des transistors d’une puce double à peu près tous les deux ans permet à Intel d’innover et de renforcer l’intégration de ses processeurs, en enrichissant leurs fonctionnalités et en multipliant leurs cœurs de traitement tout en réduisant les coûts de production et les coûts unitaires au transistor. Cependant, pour que cette cadence d’innovation se maintienne, la taille des transistors doit continuer à diminuer, mais, avec les matériaux actuellement utilisés, cette miniaturisation atteint actuellement les limites de la physique en raison de problèmes de consommation électrique et de dissipation thermique qui dépassent les limites du viable lorsque la finesse de gravure est de l’ordre de l’atome. Il est donc impératif aujourd’hui, pour la pérennité de la loi de Moore et de l’économie à l’ère de l’informatique, de faire appel à de nouveaux matériaux.

Recette pour la gravure en 45 nm

C’est le dioxyde de silicium (silice) que l’on utilise depuis plus de quarante ans pour le diélectrique de porte des transistors, en raison de ses qualités en production et de sa capacité à se traduire par des performances continuellement en hausse pour les transistors alors même qu’il est utilisé en couches de plus en plus fines. Intel est ainsi parvenu à réduire le diélectrique de porte en silice à une épaisseur de 1,2 nm à peine (soit l’équivalent de cinq couches d’atomes) pour son procédé de gravure de génération précédente, le 65 nm. En revanche, à cette finesse de gravure, les pertes de courant au niveau de ce diélectrique augmentent et suscitent un gaspillage d’énergie, dissipée en chaleur.

Les pertes de courant qui découlent de la diminution répétée du diélectrique de porte en silice sont ainsi l’un des obstacles techniques les plus sérieux à l’applicabilité durable de la loi de Moore. Pour surmonter cet obstacle, Intel a donc remplacé la silice du diélectrique de porte par un matériau plus épais et à forte constante diélectrique, à base de hafnium (Hf), ce qui réduit les pertes de courant d’un facteur supérieur à dix par rapport à la silice.

Néanmoins, le diélectrique de porte à forte constante k n’est pas compatible avec l’électrode actuelle des portes de silicium, aussi la deuxième partie de la recette d’Intel pour ses transistors en 45 nm a-t-elle consisté en l’élaboration de nouveaux matériaux métalliques pour cette électrode. Ces matériaux sont composés de plusieurs métaux, dont Intel elle garde la liste secrète.

Le recours conjoint à un diélectrique à forte constante k et à un matériau métallique pour les portes dans le cadre de la gravure en 45 nm dégage des gains de performances de 20 % en courant d’attaque, soit des transistors plus performants. Il réduit par ailleurs les pertes source/drain d’un facteur supérieur à cinq, améliorant ainsi également le rendement électrique des transistors.

Avec cette technique de gravure, la densité des transistors est à peu près doublée par rapport aux processeurs de génération précédente, ce qui permet à Intel d’augmenter le nombre de transistors par puce ou bien de fabriquer des puces plus petites. En outre, comme les transistors en 45 nm sont plus petits que leurs prédécesseurs, l’énergie requise pour les allumer et les éteindre est plus faible, ce qui réduit la puissance active d’environ 30 %. Pour ses interconnexions dans le cadre du 45 nm, Intel emploiera par ailleurs des fils de cuivre à faible constante diélectrique, afin de stimuler les performances et de réduire la consommation électrique. Elle fera également appel à des règles de conception et à des techniques de masquage ultraperfectionnées pour étendre la lithographie sèche en 193 nm à la fabrication de ses processeurs en 45 nm, en raison des avantages de ce procédé en termes de coût et de facilité de production.

Gains de performances et de rendement électrique

La famille des processeurs Intel gravés en 45 nm repose sur la microarchitecture Intel Core et marque une nouvelle étape dans la succession biennale des procédés de gravures et des microarchitectures employés par Intel. La mise au point de cette technique de gravure, ses capacités de production en grande série et sa microarchitecture de pointe lui ont déjà permis d’élaborer les premiers processeurs pleinement fonctionnels à être gravés en 45 nm.

L’entreprise dispose ainsi de plus de quinze produits en 45 nm en cours de développement, pour les segments de marché de la micro-informatique sédentaire et nomade, des stations de travail et de l’informatique d’infrastructure. Avec plus de 400 millions de transistors sur les processeurs double cœur et plus de 800 millions pour le quadricœur, les processeurs gravés en 45 nm affichent de nouvelles fonctionnalités architecturales qui renforcent leurs performances et les économies d’énergie ainsi que des fréquences par cœur en hausse et jusqu’à 12 Mo de mémoire cache. Cette famille de puces s’accompagne par ailleurs d’une cinquantaine de nouvelles instructions (Streaming SIMD Extensions 4, SSE4) qui renforcent leurs capacités et leurs performances pour l’audiovisuel et le calcul intensif.

Numéro un mondial du circuit intégré et du semi-conducteur, Intel met au point des technologies, élabore des produits et entreprend des actions pour faire progresser en permanence les modes de vie et de travail. Des informations complètes sur la société sont disponibles sur le site Internet d’Intel à partir de la page www.intel.fr.

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