En miniaturisant sans relâche une technologie informatique d'avant la Seconde Guerre mondiale, et en le combinant avec un nouveau matériau durable, des chercheurs de la Case Western Reserve University ont construit des commutateurs et des portes logiques à l'échelle nanométrique qui fonctionnent de manière plus économe en énergie que ceux actuellement utilisés par des milliards d'ordinateurs, tablettes et téléphones intelligents.

Les commutateurs électromécaniques étaient les éléments constitutifs de l'électronique avant le développement du transistor à semi-conducteurs pendant la guerre. Une version en carbure de silicium, à la plus petite des échelles, s'allume et s'éteint comme un interrupteur, et sans aucune des fuites de courant énergivores qui affligent les plus petits appareils électroniques d'aujourd'hui.

Les scientifiques présentent leurs découvertes aujourd'hui lors de la réunion internationale sur les dispositifs électroniques à Washington D.C.

La partie mobile du minuscule interrupteur n'a qu'un volume d'environ un micron cube, plus de mille fois plus petit que les appareils fabriqués dans les systèmes microélectromécaniques (MEMS) traditionnels d'aujourd'hui. Ainsi, ce commutateur peut se déplacer beaucoup plus rapidement et est beaucoup plus léger.

L'interrupteur s'est également avéré durable, fonctionnant plus de 10 millions de cycles dans l'air, à des températures ambiantes et à une chaleur élevée sans perte de performances, bien plus longtemps que la plupart des autres candidats pour un interrupteur sans fuite.

Une telle tolérance peut permettre aux fabricants d'électronique de construire un ordinateur qui fonctionne dans la chaleur intense d'un réacteur nucléaire ou d'un moteur à réaction. Les transistors au silicium commencent à se détériorer à environ 250 degrés Celsius (480 degrés Fahrenheit). Des tests ont montré que les interrupteurs en carbure de silicium fonctionnent à plus de 500 degrés Celsius (930 degrés Fahrenheit).

Le développement est important car les appareils de commutation sont au cœur des technologies de l'informatique et des communications.

"Dans nos poches et nos sacs à dos, de nos jours, nous transportons souvent des appareils mobiles qui se composent de milliards de ces blocs de construction, qui s'allument et s'éteignent pour exécuter les fonctions de traitement de l'information, " a expliqué Philip Feng, professeur de génie électrique et d'informatique à Case Western Reserve et responsable du projet.

Transistors à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur à base de silicium, appelés MOSFET, sont les dispositifs de commutation dominants dans les circuits intégrés et ont conduit à de nombreuses technologies extraordinaires appréciées aujourd'hui, dit Feng. Mais la miniaturisation continue des MOSFET au silicium au cours des dernières décennies a récemment ralenti, car la consommation d'énergie et la dissipation thermique sont devenues des défis majeurs.

De l'énergie est perdue et de la chaleur est générée parce que les MOFSET à l'échelle nanométrique fuient comme un vieux robinet. Les électrons continuent de voyager à travers un interrupteur qui est éteint.

"Les commutateurs en silicium perdent de l'énergie à environ 1 à 10 nanowatts chacun, " dit Feng. " Quand vous en avez un milliard sur une puce informatique, vous perdez quelques à plusieurs dizaines de watts de puissance. Cela consommera la batterie que vous transportez, même lorsque les transistors n'exécutent pas activement des fonctions de calcul."

Les grands centres de données ne gaspillent pas seulement cette énergie, ils paient les frais de refroidissement pour éviter la surchauffe des ordinateurs.

Tina He, Doctorant en génie électrique et informatique du professeur Feng à la Case School of Engineering, fournira des détails sur la fabrication et le test des commutateurs dans sa présentation, Commutateurs nanoélectromécaniques en carbure de silicium (SiC) et portes logiques avec cycles longs et performances robustes dans l'air ambiant et à haute température, à la rencontre internationale. Elle doit prendre la parole lors de la session "Nano Device Technology - Steep-Slope Devices" à 15h40. (heure de l'Est des États-Unis), Lundi, 9 décembre.

L'équipe de recherche a réalisé trois terminaux, commutateurs commandés par porte et différents types de portes logiques - éléments fondamentaux utilisés dans l'informatique et les communications.

"Par rapport au silicium et à d'autres matériaux courants, Le SiC est assez particulier car il est beaucoup plus résistant à l'oxydation, aux contaminants chimiques et à l'usure, " a déclaré Feng. "Ces propriétés devraient se prêter à des appareils avec des performances plus robustes tout en les protégeant des environnements d'exploitation difficiles."