Examen des dispositifs ferroélectriques pour l’informatique intelligente

Calcul intelligent (2022). DOI : 10.34133/2022/9859508″ width=”800″ height=”351″/>

Les transistors ou “micropuces” expliquent en partie pourquoi nos ordinateurs portables aussi fins que du papier peuvent effectuer des tâches beaucoup plus compliquées que leurs prédécesseurs gigantesques et maladroits. Pour maximiser les capacités de calcul, les ingénieurs essaient de fabriquer des transistors de la plus petite taille possible et d’en emballer des milliards dans une seule puce informatique.

Cependant, malgré l’évolution rapide des techniques de fabrication, les transistors traditionnels approchent de leur limite physique – ces dispositifs à l’échelle nanométrique ne peuvent plus se permettre de rétrécir davantage après un certain point – et cela entrave le développement des capacités de calcul.

Pourtant, à mesure que les données continuent d’affluer, la demande de capacités informatiques continue d’augmenter. De nouveaux dispositifs, en particulier de nouveaux dispositifs de stockage et logiques avec une vitesse plus élevée et une consommation d’énergie réduite, sont nécessaires pour libérer de nouvelles capacités informatiques tout en éliminant les principaux obstacles aux systèmes informatiques existants.

Récemment, un groupe de chercheurs chinois a désigné les dispositifs ferroélectriques comme une solution prometteuse et a publié un article de synthèse présentant les matériaux et dispositifs ferroélectriques émergents pour l’informatique intelligente. La revue est publiée dans Informatique intelligente.

Les matériaux ferroélectriques sont assez polyvalents et largement utilisés comme mémoires à usage spécial dans les dispositifs de stockage aérospatiaux, entre autres. Ils ont des caractéristiques de polarisation spéciales, une propriété semblable au magnétisme qui peut être conservée même après la suppression du champ électrique externe. Mais lorsque l’épaisseur du film est réduite à moins de 10 nm, la plupart des matériaux ferroélectriques conventionnels perdent leurs caractéristiques de polarisation à 25 ° C et ne sont donc pas adaptés au processus de fabrication de circuits intégrés (CI) à l’échelle nanométrique.

De nouveaux matériaux ferroélectriques à fort potentiel d’évolutivité peuvent résoudre ces problèmes. “La découverte de l’effet de polarisation dans les matériaux à haut κ, qui sont les matériaux d’oxyde de grille couramment utilisés pour les MOSFET à l’échelle nanométrique [metal-oxide-semiconductor field-effect transistors]est une percée pour la production de masse de transistors ferroélectriques », ont souligné les chercheurs.

Ils ont passé en revue deux exemples importants de matériaux ferroélectriques à base de Hf polycristallin et à base d’oxyde amorphe, et ont brièvement décrit certains nouveaux matériaux et dispositifs récemment rapportés. Tous sont compatibles avec le procédé de fabrication CMOS (Complementary Metal Oxyde Semiconductor).

Pour les dispositifs ferroélectriques de pointe, les chercheurs les ont classés en dispositifs logiques de faible puissance, cellules de mémoire hautes performances et dispositifs neuromorphiques, et les ont résumés en détail. Les résumés couvraient respectivement le développement des appareils et leurs capacités à briser le «mur thermique», le «mur de la mémoire» et le goulot d’étranglement de von Neumann.

Les transistors à effet de champ à condensateur négatif ferroélectrique (NCFET) en tant que dispositifs logiques de faible puissance sont capables de briser le “mur thermique”, ce qui entrave l’amélioration de la fréquence principale du processeur en raison de la densité de puissance croissante et de l’effet de chauffage. “La réduction de la tension de commande des puces est une méthode potentielle pour briser le” mur de chaleur “, et sa faisabilité dépend fortement du SS [subthreshold swing] du transistor », expliquent les chercheurs.

“Les NCFET ferroélectriques, associés à l’effet d’amplification de tension, peuvent surmonter la tyrannie de Boltzmann et atteindre un SS inférieur à 60 mV/déc. Ainsi, ils sont considérés comme ayant l’une des architectures de dispositifs les plus prometteuses pour les applications à très faible puissance et peuvent réactiver développement rapide de l’industrie des circuits intégrés.”

La mémoire à accès aléatoire basée sur un condensateur ferroélectrique (FeRAM) et la mémoire basée sur un transistor à effet de champ ferroélectrique (FeFET), classées comme cellules de mémoire hautes performances, présentent d’excellentes performances dans le remplacement dynamique de la mémoire à accès aléatoire (DRAM) et les applications embarquées.

Le condensateur ferroélectrique, contrairement au condensateur DRAM conventionnel, peut stocker des informations via la charge Pr, qui est non volatile, et possède une densité de charge beaucoup plus élevée par zone.

“Par conséquent, remplacer le matériau diélectrique d’un dispositif flash par des ferroélectriques dopés au HfO2 ou des ferroélectriques à oxyde amorphe pour réaliser un FeFET est une méthode alternative pour réduire davantage la puissance ou le retard de ces mémoires”, ont déclaré les chercheurs. Cela aidera à combler un grand écart de performance ou de surface entre le dispositif logique et la cellule mémoire, en surmontant le soi-disant « mur de mémoire ».

De plus, les FeFET peuvent être utilisés comme dispositifs neuromorphiques pour briser le goulot d’étranglement de von Neumann. Le goulot d’étranglement de von Neumann fait référence aux problèmes de retard et d’alimentation causés par le transfert de données inefficace entre le module de mémoire et le processeur logique initialement séparés, auxquels l’informatique neuromorphique – l’imitation du système neuronal pour le traitement de l’information – est une solution possible.

Dans un système neuromorphique, les neurones artificiels et les synapses sont les composants les plus importants, et les FeFET peuvent implémenter les deux. Pour des applications dans les neurones, les FeFET ont été utilisés comme réseaux de neurones pulsés ; pour les applications de synapse artificielle impliquant des réseaux de neurones à pointes (SNN) et des réseaux de neurones à convolution (CNN), les FeFET sont applicables en raison de leur capacité à exécuter simultanément des fonctions de stockage et de traitement.

De plus, les jonctions tunnel ferroélectriques (FTJ) ont attiré une attention particulière pour les applications de dispositifs synaptiques en raison de leur structure de dispositif compacte, de leur schéma de lecture non destructif et de leurs vitesses d’accès élevées en écriture/lecture.

En conclusion, les chercheurs ont indiqué que si le compromis entre la compatibilité des processus et les performances de l’appareil peut être atteint, la mémoire NCFET, FeRAM ou FeFET et les dispositifs de synapse ferroélectrique peuvent être intégrés dans la même puce pour construire un système informatique intelligent multifonctionnel.

“Sur la base des progrès réalisés dans la technologie de traitement des dispositifs ferroélectriques, l’intégration d’une logique basse consommation, de mémoires hautes performances et de systèmes neuromorphiques sur une seule puce semble être réalisable avec une amélioration continue des processus”, ont-ils souligné. “Cela aidera à réaliser le développement de systèmes informatiques intelligents à haute performance et à haut rendement à l’avenir.”

Fourni par l’informatique intelligente