Les cristaux artificiels pourraient aider les ordinateurs à fonctionner avec moins d’énergie

Les cristaux artificiels pourraient aider les ordinateurs à fonctionner avec moins d'énergie

Les ingénieurs de l’Université de Californie à Berkeley ont créé des structures cristallines artificielles qui affichent un phénomène physique inhabituel connu sous le nom de capacité négative. L’incorporation de ce matériau dans des transistors en silicium avancés pourrait rendre les ordinateurs plus économes en énergie. Crédit : Ella Maru Studio, Université de Californie – Berkeley

Les ordinateurs sont peut-être de plus en plus petits et puissants, mais ils nécessitent beaucoup d’énergie pour fonctionner. La quantité totale d’énergie que les États-Unis consacrent à l’informatique a considérablement augmenté au cours de la dernière décennie et se rapproche rapidement de celle d’autres grands secteurs, comme les transports.

Dans une étude publiée en ligne cette semaine, la revue Nature, Université de Californie, Berkeley, les ingénieurs décrivent une percée majeure dans la conception d’un composant de transistors – les minuscules interrupteurs électriques qui forment les éléments constitutifs des ordinateurs – qui pourraient réduire considérablement leur consommation d’énergie sans sacrifier la vitesse, la taille ou les performances. Le composant, appelé oxyde de grille, joue un rôle clé dans l’activation et la désactivation du transistor.

“Nous avons pu montrer que notre technologie d’oxyde de grille est meilleure que les transistors disponibles dans le commerce : ce que l’industrie des semi-conducteurs d’un billion de dollars peut faire aujourd’hui, nous pouvons essentiellement les battre”, a déclaré Sayeef Salahuddin, auteur principal de l’étude, professeur émérite TSMC de Génie électrique et informatique à UC Berkeley.

Cette augmentation de l’efficacité est rendue possible par un effet appelé capacité négative, qui aide à réduire la quantité de tension nécessaire pour stocker la charge dans un matériau. Salahuddin a théoriquement prédit l’existence d’une capacité négative en 2008 et a d’abord démontré l’effet dans un cristal ferroélectrique en 2011.

La nouvelle étude montre comment une capacité négative peut être obtenue dans un cristal d’ingénierie composé d’un empilement en couches d’oxyde d’hafnium et d’oxyde de zirconium, qui est facilement compatible avec les transistors au silicium avancés. En incorporant le matériau dans des transistors modèles, l’étude démontre comment l’effet de capacité négative peut réduire considérablement la quantité de tension nécessaire pour contrôler les transistors et, par conséquent, la quantité d’énergie consommée par un ordinateur.

“Au cours des 10 dernières années, l’énergie utilisée pour l’informatique a augmenté de façon exponentielle, représentant déjà des pourcentages à un chiffre de la production mondiale d’énergie, qui ne croît que de manière linéaire, sans fin en vue”, a déclaré Salahuddin. “Habituellement, lorsque nous utilisons nos ordinateurs et nos téléphones portables, nous ne pensons pas à la quantité d’énergie que nous utilisons. Mais c’est une quantité énorme, et elle ne fera qu’augmenter. Notre objectif est de réduire la consommation d’énergie besoins de cet élément de base de l’informatique, car cela réduit les besoins énergétiques de l’ensemble du système. »

Apporter la capacité négative à la technologie réelle

Les ordinateurs portables et les téléphones intelligents à la pointe de la technologie contiennent des dizaines de milliards de minuscules transistors au silicium, et chacun d’entre eux doit être contrôlé en appliquant une tension. L’oxyde de grille est une fine couche de matériau qui convertit la tension appliquée en une charge électrique, qui commute ensuite le transistor.

Une capacité négative peut augmenter les performances de l’oxyde de grille en réduisant la quantité de tension nécessaire pour obtenir une charge électrique donnée. Mais l’effet ne peut pas être obtenu avec n’importe quel matériau. La création d’une capacité négative nécessite une manipulation minutieuse d’une propriété matérielle appelée ferroélectricité, qui se produit lorsqu’un matériau présente un champ électrique spontané. Auparavant, l’effet n’était obtenu que dans des matériaux ferroélectriques appelés pérovskites, dont la structure cristalline n’est pas compatible avec le silicium.

Dans l’étude, l’équipe a montré qu’une capacité négative peut également être obtenue en combinant de l’oxyde d’hafnium et de l’oxyde de zirconium dans une structure cristalline artificielle appelée super-réseau, ce qui conduit à une ferroélectricité et à une antiferroélectricité simultanées.

“Nous avons constaté que cette combinaison nous donne en fait un effet de capacité négative encore meilleur, ce qui montre que ce phénomène de capacité négative est beaucoup plus large qu’on ne le pensait à l’origine”, a déclaré le co-premier auteur de l’étude, Suraj Cheema, chercheur postdoctoral à l’UC Berkeley. “La capacité négative ne se produit pas seulement dans l’image conventionnelle d’un ferroélectrique avec un diélectrique, ce qui a été étudié au cours de la dernière décennie. Vous pouvez en fait rendre l’effet encore plus fort en concevant ces structures cristallines pour exploiter l’antiferroélectricité en tandem avec la ferroélectricité. “

Les chercheurs ont découvert qu’une structure de super-réseau composée de trois couches atomiques d’oxyde de zirconium prises en sandwich entre deux couches atomiques simples d’oxyde d’hafnium, totalisant moins de deux nanomètres d’épaisseur, fournissait le meilleur effet de capacité négative. Étant donné que la plupart des transistors au silicium de pointe utilisent déjà un oxyde de grille de 2 nanomètres composé d’oxyde d’hafnium au-dessus de dioxyde de silicium, et que l’oxyde de zirconium est également utilisé dans les technologies du silicium, ces structures de super-réseau peuvent facilement être intégrées dans des transistors avancés. .

Pour tester les performances de la structure de super-réseau en tant qu’oxyde de grille, l’équipe a fabriqué des transistors à canal court et testé leurs capacités. Ces transistors nécessiteraient environ 30 % de tension en moins tout en conservant les références de l’industrie des semi-conducteurs et sans perte de fiabilité, par rapport aux transistors existants.

“L’un des problèmes que nous voyons souvent dans ce type de recherche est que nous pouvons démontrer divers phénomènes dans les matériaux, mais ces matériaux ne sont pas compatibles avec les matériaux informatiques avancés, et nous ne pouvons donc pas apporter les avantages à la technologie réelle”, a déclaré Salahuddin. mentionné. “Ce travail transforme la capacité négative d’un sujet académique en quelque chose qui pourrait en fait être utilisé dans un transistor avancé.”


La «capacité négative» pourrait apporter des transistors plus efficaces


Plus d’information:
Suraj S. Cheema et al, Pile de grille de super-réseau ferroïque ultra-mince HfO2 – ZrO2 pour transistors avancés, Nature (2022). DOI : 10.1038 / s41586-022-04425-6

Fourni par Université de Californie – Berkeley

Citation: Des cristaux d’ingénierie pourraient aider les ordinateurs à fonctionner avec moins d’énergie (8 avril 2022) récupéré le 8 avril 2022 sur https://techxplore.com/news/2022-04-crystals-power.html

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