Une équipe d'ingénieurs de Stanford a construit un ordinateur de base utilisant des nanotubes de carbone, un matériau semi-conducteur qui a le potentiel de lancer une nouvelle génération d'appareils électroniques plus rapides, tout en consommant moins d'énergie, que ceux fabriqués à partir de puces de silicium.

Cet exploit sans précédent est le point culminant d'années d'efforts déployés par des scientifiques du monde entier pour exploiter ce matériau prometteur.

L'exploit est rapporté aujourd'hui dans un article en couverture de La nature magazine écrit par Max Shulaker et d'autres doctorants en génie électrique. La recherche a été dirigée par les professeurs de Stanford Subhasish Mitra et H.S. Philippe Wong.

"Les gens ont parlé d'une nouvelle ère de l'électronique des nanotubes de carbone allant au-delà du silicium, " dit Mitra, ingénieur électricien et informaticien, et le Chambers Faculty Scholar of Engineering. "Mais il y a eu peu de démonstrations de systèmes numériques complets utilisant cette technologie passionnante. En voici la preuve."

Les experts disent que la réalisation de Stanford galvanisera les efforts pour trouver des successeurs aux puces de silicium, qui pourraient bientôt rencontrer des limites physiques qui pourraient les empêcher de livrer plus petit, plus rapide, appareils électroniques moins chers.

« Les nanotubes de carbone (CNT) ont longtemps été considérés comme un successeur potentiel du transistor au silicium, " a déclaré le professeur Jan Rabaey, un expert mondial des circuits et systèmes électroniques à l'UC Berkeley.

Mais jusqu'à présent, il n'était pas clair que les CNT pourraient répondre à ces attentes.

"Il ne fait aucun doute que cela attirera l'attention des chercheurs de la communauté des semi-conducteurs et les incitera à explorer comment cette technologie peut conduire à des processeurs plus économes en énergie au cours de la prochaine décennie, ", a déclaré Rabaey.

Mihail Roco, conseiller principal pour les nanotechnologies à la National Science Foundation, appelé le travail de Stanford "un important, percée scientifique."

Il y a environ 15 ans, les nanotubes de carbone ont été transformés pour la première fois en transistors, les interrupteurs marche-arrêt au cœur des systèmes électroniques numériques.

Mais un éventail ahurissant d'imperfections dans ces nanotubes de carbone a longtemps contrecarré les efforts visant à construire des circuits complexes à l'aide de NTC. Professeur Giovanni De Micheli, directeur de l'Institut de génie électrique de l'École polytechnique fédérale de Lausanne en Suisse, a souligné deux contributions clés que l'équipe de Stanford a apportées à cet effort mondial.

"D'abord, ils mettent en place un procédé de fabrication de circuits à base de NTC, " dit De Micheli. " Deuxièmement, ils ont construit un circuit simple mais efficace qui montre que le calcul est faisable à l'aide de CNT."

Comme l'a dit Mitra :« Il ne s'agit pas seulement de l'ordinateur CNT. Il s'agit d'un changement de direction qui montre que vous pouvez construire quelque chose de réel en utilisant des nanotechnologies qui vont au-delà du silicium et de ses cousins ».

Pourquoi s'inquiéter d'un successeur au silicium ? De telles préoccupations découlent des exigences que les concepteurs placent sur les semi-conducteurs et leur unité de travail fondamentale, ces interrupteurs marche-arrêt connus sous le nom de transistors.

Depuis des décennies, les progrès de l'électronique ont signifié la réduction de la taille de chaque transistor pour emballer plus de transistors sur une puce. Mais à mesure que les transistors deviennent plus petits, ils gaspillent plus d'énergie et génèrent plus de chaleur - le tout dans un espace de plus en plus petit, comme en témoigne la chaleur émanant du fond d'un ordinateur portable.

De nombreux chercheurs pensent que ce phénomène de gaspillage d'énergie pourrait sonner le glas de la loi de Moore, nommé en l'honneur du co-fondateur d'Intel Corp. Gordon Moore, qui a prédit en 1965 que la densité des transistors doublerait environ tous les deux ans, conduisant à plus petit, plus vite et, comme ça s'est apparu, électronique moins chère.

Mais plus petit, plus rapide et moins cher a également signifié plus petit, plus rapide et plus chaud.

« La dissipation d'énergie des systèmes à base de silicium a été une préoccupation majeure, " dit Anantha Chandrakasan, chef du génie électrique et de l'informatique au MIT et leader mondial de la recherche sur les puces. Il a qualifié les travaux de Stanford de « repère majeur » pour faire évoluer les NTC vers une utilisation pratique. Les NTC sont de longues chaînes d'atomes de carbone qui sont extrêmement efficaces pour conduire et contrôler l'électricité. Ils sont si fins - des milliers de CNT pourraient tenir côte à côte dans un cheveu humain - qu'il faut très peu d'énergie pour les éteindre, selon Wong, co-auteur de l'article et professeur Williard R. et Inez Kerr Bell à Stanford.

"Pensez-y comme marcher sur un tuyau d'arrosage, " dit Wong. " Plus le tuyau est fin, plus il est facile de couper le flux." En théorie, cette combinaison de conductivité efficace et de commutation à faible puissance fait des nanotubes de carbone d'excellents candidats pour servir de transistors électroniques.

"Les CNT pourraient nous amener au moins un ordre de grandeur en performances au-delà de ce que vous pouvez projeter que le silicium pourrait nous emmener, ", a déclaré Wong. Mais des imperfections inhérentes ont empêché l'utilisation pratique de ce matériau prometteur.

D'abord, Les NTC ne poussent pas nécessairement en lignes parallèles nettes, comme le souhaiteraient les fabricants de puces.

Heures supplémentaires, les chercheurs ont mis au point des astuces pour faire croître 99,5% des CNT en ligne droite. Mais avec des milliards de nanotubes sur une puce, même un infime degré de tubes mal alignés peut provoquer des erreurs, donc ce problème est resté.

Un deuxième type d'imperfection a également contrecarré la technologie CNT.

Selon la croissance des NTC, une fraction de ces nanotubes de carbone peut finir par se comporter comme des fils métalliques qui conduisent toujours l'électricité, au lieu d'agir comme des semi-conducteurs qui peuvent être éteints.

Puisque la production de masse est l'objectif final, les chercheurs ont dû trouver des moyens de traiter les CNT mal alignés et/ou métalliques sans avoir à les chercher comme des aiguilles dans une botte de foin.

"Nous avions besoin d'un moyen de concevoir des circuits sans avoir à rechercher les imperfections ou même à savoir où ils se trouvaient, ", a déclaré Mitra. L'article de Stanford décrit une approche à deux volets que les auteurs appellent une "conception immunisée contre les imperfections".

Pour éliminer les nanotubes filiformes ou métalliques, l'équipe de Stanford a éteint tous les bons CNT. Ensuite, ils ont pompé le circuit semi-conducteur plein d'électricité. Toute cette électricité concentrée dans les nanotubes métalliques, qui sont devenus si chauds qu'ils ont brûlé et se sont littéralement vaporisés en minuscules bouffées de dioxyde de carbone. Cette technique sophistiquée a permis d'éliminer pratiquement tous les NTC métalliques du circuit à la fois.

Le contournement des nanotubes mal alignés nécessitait encore plus de subtilité.

Les chercheurs de Stanford ont donc créé un algorithme puissant qui trace une disposition de circuit qui est garantie de fonctionner, peu importe si ou où les CNT peuvent être de travers.

"Cette 'conception anti-imperfections' (technique) rend cette découverte vraiment exemplaire, " dit Sankar Basu, directeur de programme à la National Science Foundation.

L'équipe de Stanford a utilisé cette conception immunisée contre les imperfections pour assembler un ordinateur de base avec 178 transistors, une limite imposée par le fait qu'ils ont utilisé les installations de fabrication de puces de l'université plutôt qu'un processus de fabrication industrielle.

Leur ordinateur CNT effectuait des tâches telles que le comptage et le tri des nombres. Il exécute un système d'exploitation de base qui lui permet de basculer entre ces processus. Dans une démonstration de son potentiel, les chercheurs ont également montré que l'ordinateur CNT pouvait exécuter MIPS, un ensemble d'instructions commerciales développé au début des années 1980 par le professeur d'ingénierie de Stanford et maintenant le président de l'université John Hennessy.

Bien que cela puisse prendre des années pour mûrir, l'approche de Stanford pointe vers la possibilité d'une production à l'échelle industrielle de semi-conducteurs à nanotubes de carbone, selon Naresh Shanbhag, professeur à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign et directeur de SONIC, un consortium de recherche sur la conception de puces de nouvelle génération.

"L'article de Wong/Mitra démontre la promesse des CNT dans la conception de systèmes informatiques complexes, " Shanbhag a dit, ajoutant que cela "motivera les chercheurs d'ailleurs" vers des efforts accrus dans la conception de puces au-delà du silicium.

"Ce sont les premières étapes nécessaires pour amener les nanotubes de carbone du laboratoire de chimie dans un environnement réel, " a déclaré Supratik Guha, directeur des sciences physiques du Thomas J. Watson Research Center d'IBM et leader mondial de la recherche sur les CNT.