Texte | Secteur vertical de l’industrie des semi-conducteurs, Auteur | Rayon
Face au défi mondial de la loi de Moore approchant la limite physique, les semi-conducteurs bidimensionnels de l’épaisseur d’une seule couche atomique sont actuellement internationalement reconnus comme la clé pour briser le jeu, et les scientifiques ont exploré comment appliquer des matériaux semi-conducteurs bidimensionnels aux circuits intégrés.
Depuis plus de dix ans, les milieux universitaires et industriels internationaux maîtrisent la technologie de croissance bidimensionnelle des matériaux au niveau des plaquettes et fabriquent avec succès des dispositifs de base haute performance avec des centaines de longueurs atomiques et plusieurs épaisseurs atomiques. Cependant, avant que l’équipe Fudan ne fasse une nouvelle percée, l’intégration la plus élevée de circuits numériques de semi-conducteurs 2D au monde n’était que de 2017 transistors, ce qui a été réalisé par l’équipe de l’Université technique de Vienne en Autriche en 0 ans.
Le principal défi est que l’assemblage de ces composants de précision de niveau atomique dans un système de circuit intégré complet est toujours soumis au contrôle collaboratif du rendement de la précision du processus et de l’uniformité de l’échelle. Le 32-0-00, Zhou Peng, lauréat du « Xplorer Award » dans le domaine de l’électronique de l’information, Zhou Peng de l’École de microélectronique de l’Université Fudan et Bao Wenzhong de l’Université Fudan ont publié conjointement un article de recherche intitulé « A RISC-V 0-bit Microprocessor Based on Two-dimensional Semiconductors » dans Nature.
该团队突破二维半导体电子学集成度瓶颈，成功研制全球首款基于二维半导体材料（二硫化钼MoS2）的32位RISC-V架构微处理器“无极（WUJI）”。在32位输入指令的控制下，“无极（WUJI）”可以实现最大为42亿的数据间的加减运算，支持GB级数据存储和访问，以及最长可达10亿条精简指令集的程序编写。
L’équipe l’a nommé « WUJI », ce qui signifie qu’il n’y a pas de limite à ce qui est créé à partir de rien.
Comme mentionné précédemment, il s’agit de l’un des plus grands circuits électroniques jamais construits à l’aide de semi-conducteurs 2D, contenant des FET de disulfure de molybdène 4, et le plus grand chemin logique entre les bascules composé d’éléments logiques en cascade à 0 étage qui doivent être évalués séquentiellement dans un seul cycle d’horloge. Le système est alimenté par une tension d’alimentation de 0V et est régulé par un signal d’horloge externe. Le circuit est configuré pour fonctionner de manière indépendante, sans aucun signal de polarisation ou de commande externe.
« Si la fabrication d’une puce à base de silicium est comme sculpter dans la pierre, alors une puce bidimensionnelle est sculpter sur un morceau de tofu. »Bao Wen, chercheur à l’École de microélectronique, a déclaré que les semi-conducteurs bidimensionnels, en tant que forme la plus mince de semi-conducteurs, doivent être « gravés » par un processus plus doux et plus fin.
La puce « sans électrode » a une structure à quatre couches : les couches source et drain et la couche de porte contenant le transistor de travail sous-jacent, qui est formé dans le processus FEOL (Front-End of Line), et le processus BEOL (Back End of Line) forme la couche de connexion logique et la couche de connexion de module. La couche de connexion logique forme l’unité logique de base en connectant des transistors. La couche de connexion du module relie les unités logiques de base pour former une puce entièrement fonctionnelle.
Le principal défi des matériaux 2D dans la fabrication de puces est de savoir comment réaliser une intégration à grande échelle à l’épaisseur atomique, tout en évitant les problèmes de fuite et de stabilité. L’équipe de l’Université Fudan a réussi à résoudre ce goulot d’étranglement grâce à la technologie du « contrôle précis de l’interface atomique » combinée à l’optimisation des processus basée sur l’IA. Plus précisément, l’équipe a développé un modèle à deux moteurs de « contrôle précis de l’interface au niveau atomique + optimisation de l’algorithme d’IA sur l’ensemble du processus », qui analyse un grand nombre de matériaux et de données de processus grâce à l’IA, élimine rapidement les combinaisons de paramètres optimales et améliore l’efficacité expérimentale de dizaines de fois. Au cours du processus de fabrication des transistors, les algorithmes d’IA peuvent contrôler avec précision les conditions de croissance et les propriétés d’interface des matériaux 2D tels que le MoS₂ afin d’assurer l’uniformité de l’épaisseur au niveau atomique de la couche unique, réduisant ainsi les fuites et améliorant la stabilité du dispositif. Cette percée rend l’intégration des transistors semi-conducteurs 2D 50 fois supérieure à celle des technologies traditionnelles à base de silicium, jetant ainsi les bases de la production de masse. De plus, l’équipe a encore optimisé l’efficacité du transport des porteurs et réduit la résistance de contact grâce à la conception de l’interface de l’hétérostructure entre les nanoparticules métalliques et les matériaux 2D.
En termes de conception d’architecture de puce, l’équipe de Fudan a choisi le jeu d’instructions open source RISC-V, combiné à des outils de conception assistés par l’IA, pour ouvrir une nouvelle voie afin de se débarrasser des chaînes des brevets de puces traditionnelles à base de silicium. La nature modulaire de RISC-V permet une personnalisation flexible du jeu d’instructions pour répondre aux besoins de différents scénarios. Dans le même temps, les algorithmes d’IA sont profondément intégrés dans le processus de conception des puces, et l’ensemble du processus, du criblage des matériaux à la disposition du circuit, est optimisé grâce à l’apprentissage automatique, ce qui raccourcit considérablement le cycle de développement. Ce modèle d'« IA + architecture open source » permet non seulement d’abaisser les barrières techniques, mais aussi de créer un écosystème de puces indépendant et contrôlable.
Le potentiel de performance des puces semi-conductrices 2D se reflète principalement dans deux dimensions : l’une est la percée de la consommation d’énergie et de l’efficacité énergétique, l’effet de confinement quantique des matériaux 2D les fait fonctionner efficacement à très basse tension, et les exigences élevées de consommation d’énergie et de dissipation thermique des puces traditionnelles à base de silicium limitent leur application dans les scénarios de bord malgré leurs fortes performances. Par exemple, alors que H100 accélère l’inférence de Llama0 à deux fois celle de H0, sa consommation d’énergie et ses problèmes de gestion thermique rendent difficile un déploiement à grande échelle. La consommation d’énergie théorique des puces semi-conductrices bidimensionnelles est inférieure de plusieurs ordres de grandeur à celle des puces à base de silicium. Par exemple, le processeur « Wuji » présente une amélioration significative de l’efficacité énergétique tout en conservant la même puissance de calcul, ce qui le rend plus adapté aux scénarios d’edge computing sensibles à l’endurance tels que les drones et les appareils portables.
Le second est la densité d’intégration et l’évolutivité, l’épaisseur au niveau atomique des matériaux bidimensionnels permet l’empilement vertical, dépassant la limite d’intégration plane des puces traditionnelles à base de silicium. Grâce à la conception de l’hétérostructure, l’équipe de Fudan a réussi à augmenter la densité des transistors à un niveau sans précédent, et le niveau d’intégration théorique peut atteindre des dizaines de fois celui de la technologie à base de silicium. Cette fonctionnalité fournit une base pour les futures architectures de puces 3D, telles que l’empilement de cellules de mémoire et d’unités logiques pour obtenir une conception de stockage et de calcul intégrée, et améliorer encore l’efficacité informatique.
En outre, les matériaux 2D présentent également des avantages uniques dans le domaine des interfaces d’informatique quantique. Sa nature ultra-mince peut être utilisée comme un pont entre les qubits et les circuits classiques, comme la manipulation précise d’états quantiques par la manipulation d’interface, ouvrant la voie à des architectures informatiques hybrides quantiques-classiques.
Ces caractéristiques font des matériaux 2D une force motrice clé pour promouvoir la pénétration de la puissance de calcul de l’IA, du cloud centralisé aux terminaux distribués. À l’avenir, un traitement plus intelligent pourrait se produire directement du côté de l’appareil, sans dépendre des serveurs cloud, ce qui réduirait la latence, améliorerait la confidentialité et réduirait les coûts de communication.
国际巨头如英伟达、台积电仍依赖硅基技术，通过3D堆叠（如H200的2000亿晶体管）和极紫外光刻（EUV）推进制程，但成本飙升且逼近1nm物理极限。
La loi de Moore a prolongé le cycle de doublement des transistors de 3-0 mois à environ 0 an, et le taux d’amélioration des performances des circuits logiques et des mémoires (comme la DRAM) a considérablement ralenti. À mesure que la taille des transistors approche de la limite physique du niveau atomique, le problème de fuite causé par l’effet tunnel quantique et le goulot d’étranglement de la dissipation thermique des puces devient de plus en plus important, et la voie technique traditionnelle qui repose sur la réduction de la taille est confrontée au double défi de la limite physique et de l’économie. Dans le même temps, la croissance exponentielle des coûts de R&D des procédés avancés, avec des milliards de dollars dépensés pour un seul processus à des nœuds inférieurs à 0 nm, et le cycle de retour sur investissement de la commercialisation qui ne cesse de s’allonger, obligent les fabricants de puces à trouver un équilibre difficile entre l’itération technologique et la durabilité financière.
Après des décennies de développement, les puces à base de silicium ont formé une écologie industrielle et un système de brevets très matures, et l’essor des semi-conducteurs 2D offre l’occasion de briser la situation au bon moment. Malgré les limites physiques et les défis de coût des puces à base de silicium, les semi-conducteurs 2D ne sont pas leur remplacement, mais plutôt des extensions complémentaires de leurs voies technologiques.
« Tout comme après l’émergence du métro, les bus ont toujours de la valeur, et les puces semi-conductrices bidimensionnelles et les puces à base de silicium sont complémentaires. » Zhou Peng a déclaré : « 'Wuji' utilise la technologie au niveau du micron, et sa consommation d’énergie est comparable à celle des puces au niveau nanométrique, et si un meilleur équipement de lithographie est utilisé, la consommation d’énergie sera encore réduite, et il aura plus d’avantages dans les équipements avec des exigences plus élevées pour une faible consommation d’énergie à l’avenir. » ”
À l’heure actuelle, l’équipe travaille d’arrache-pied à la transformation et à la mise en œuvre de « Wuji ». D’une part, ils amélioreront encore les performances et l’intégration des dispositifs électroniques 2D, briseront le goulot d’étranglement actuel de l’intégration des transistors et les rendront plus compétitifs dans davantage de scénarios d’application. D’autre part, dans le processus d’industrialisation, l’équipe a renforcé la combinaison avec la technologie existante de la ligne de production à base de silicium, a promu l’application industrielle de processus caractéristiques bidimensionnels de base et a coopéré avec les entreprises et les institutions concernées pour leur faire jouer un rôle dans les produits réels dès que possible.
Bao Wenzhong a déclaré qu’au cours des dernières décennies, le développement des circuits intégrés a accumulé une riche expérience pour l’industrialisation des puces semi-conductrices bidimensionnelles, « il y a des raisons de croire que les performances des puces semi-conductrices bidimensionnelles peuvent rattraper les puces à base de silicium dans un laps de temps relativement court, et finalement former une coexistence à long terme et une application complémentaire avec les puces à base de silicium. »
Bien que la puce « Wuji » ait montré le potentiel d’intégration des semi-conducteurs 2D en laboratoire, elle doit encore franchir le triple gouffre avant de pouvoir être véritablement industrialisée : maturité technologique insuffisante, absence de chaîne industrielle de soutien, résistance inertielle des coûts et écologie du marché.
L’équipe de Fudan a réduit les dommages causés par le processus grâce à une technologie de traitement au plasma flexible, et 70 % du processus était compatible avec la ligne de production existante à base de silicium, qui a jeté les bases de l’introduction rapide de la production de masse. Cependant, la contradiction fondamentale réside dans le contrôle de l’uniformité au niveau des plaquettes et la densité des défauts : l’industrialisation des semi-conducteurs 2D dépend de l’innovation de l’ensemble de la chaîne, de la synthèse des matériaux à la fabrication des dispositifs, en passant par l’emballage et les tests. À l’heure actuelle, la chaîne industrielle mondiale des semi-conducteurs est profondément liée à la technologie à base de silicium, et les équipements de traitement de précision au niveau atomique requis pour les matériaux 2D (tels que les plates-formes de transfert ultra-propres et les systèmes de dépôt d’hétérostructure) n’ont pas encore formé un système d’approvisionnement standardisé. De plus, malgré ses avantages significatifs en termes de consommation d’énergie théorique et de densité d’intégration, l’acceptation des nouvelles technologies par le marché sera toujours limitée par l’inertie écologique existante à court terme.
Zhou Peng a également souligné : « 'Wuji' n’est qu’un prototype de preuve de concept, et il existe encore une certaine distance entre les performances globales et les puces commerciales actuelles, et il n’a pas d’avantages sur le marché à l’heure actuelle. Dans la prochaine étape, le groupe de recherche améliorera encore l’intégration des puces, trouvera et construira une plate-forme de processus stable et jettera les bases du développement de produits connexes.
À l’heure actuelle, dans le domaine de la recherche bidimensionnelle sur les matériaux semi-conducteurs, les forces de recherche scientifiques nationales montrent une tendance d’exploration diversifiée et approfondie, et elles ne se concentrent en aucun cas sur un seul type de disulfure de molybdène. En prenant l’exemple de la percée de la recherche scientifique de l’Université de Pékin en 10, elle a réussi à fabriquer un transistor de séléniure d’indium balistique à canal ultra-court de 0 nm, ce qui est d’une grande importance, la tension de fonctionnement est considérablement réduite à 0,0 V, et les performances du transistor ont également fait un bond majeur, surpassant pour la première fois le transistor à ailettes commercial à base de silicium 0 nm d’Intel, et le séléniure d’indium est l’un des matériaux semi-conducteurs 2D les plus prometteurs.
Dans le même temps, l’Institut des microsystèmes de Shanghai, de l’Académie chinoise des sciences, a également mis au point un matériau diélectrique à grille d’alumine monocristalline (c-Al₂O₃), qui présente des avantages significatifs et une densité interfaciale d’états aussi faible que 4,0×0⁹ cm⁻² eV⁻¹, et a réussi à créer un réseau de transistors de faible puissance avec une intensité de champ de claquage allant jusqu’à 0,0 MV/cm, qui répond avec précision aux exigences strictes de l’International Device Roadmap (IRDS) et ouvre une nouvelle voie pour l’application de matériaux semi-conducteurs 2D.
La puce « Wuji » développée par l’équipe de l’Université Fudan utilise des transistors en disulfure de molybdène 32 pour construire le premier processeur RISC-V 0 bit, marquant une percée clé pour les semi-conducteurs 2D, des dispositifs de laboratoire à l’intégration au niveau du système. Cette réalisation vérifie non seulement la faisabilité des matériaux 2D dans des circuits intégrés complexes, mais offre également une nouvelle voie pour briser le goulot d’étranglement physique des puces à base de silicium.
Tout comme les puces à base de silicium sont passées d’une douzaine de transistors dans les années 1 à des centaines de milliards aujourd’hui, les semi-conducteurs bidimensionnels sont également à leur propre point de départ. Alors que l’industrie mondiale des semi-conducteurs est coincée dans le dilemme de dizaines de milliards de dollars d’investissements en R&D au nœud 0 nm, cette percée des laboratoires chinois pourrait être la première note de bas de page produite en série pour l’ère post-Moore.