Une initiative de recherche de l’UE veut améliorer l’efficacité électronique par 10

A l’heure actuelle, seuls quelques-uns du nombre de transistors totaux d’une puce peuvent être utilisés simultanément en raison de la capacité énergétique limitée. Par exemple, sur une puce de trois milliards de transistors, seul 1.8% d’entre eux peuvent être utilisés en même temps. C’est ce qu’on appelle l’effet « dark silicon », puisqu’une grande partie des composants d’un puce électronique sont toujours éteints. Afin de contrer ce phénomène, un projet de recherche dirigé par le Prof. Adrian Ionescu de l’EPFL a été lancé. Baptisé Steeper, ce projet a pour but de développer un transistor à effet tunnel (TFET) à très faible consommation qui permettra de faire fonctionner d’une manière plus efficace un plus grand nombre de composants qu’avec la technologie CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) actuelle. Ainsi, la consommation des appareils électroniques pourrait être divisée par dix en mode de consommation dynamique, et réduite à pratiquement zéro en mode veille. Steeper pourrait bien constituer une avancée majeure en termes d’efficacité énergétique, puisque les appareils électroniques représentent aujourd’hui 15% de la consommation électrique des ménages. Un chiffre qui selon l’International Energy Agency (IEA) devrait doubler d’ici 2022, et tripler d’ici 2030.

Interview du Prof. Adrian Ionescu

En quoi consiste le projet ?
Jusqu’à présent, l’amélioration de l’efficacité énergétique des appareils électroniques s’est essentiellement basée sur la réduction de la taille des composants de base. Le projet Steeper s’appuie certes sur les nanotechnologies, mais repose sur un nouveau principe physique dit "de la pente abrupte" (ndlr: abrupt = steep en anglais, d’où le nom du projet). Le but est de développer un transistor à effet tunnel (TFET) pour atteindre une transition abrupte entre la mise en marche et l’arrêt d’un composant ou circuit électronique. Ainsi, la consommation en mode dynamique pourrait être réduite par un facteur de 10 avec l’utilisation d’une tension d’alimentation de moins de 0.5 volts (impossible à réaliser avec la technologie d’aujourd’hui) pour un ordinateur portable par exemple, et être pratiquement supprimée en standby.

Pourquoi l’Union Européenne a-t-elle d’après vous choisi l’EPFL pour diriger le projet Steeper ?
Certainement parce que l’EPFL est très engagée dans d’autres projets internationaux sur lesquels je travaille également, et que la Suisse est reconnue comme un centre de compétences grâce à ses circuits de montres qui affichent la plus basse consommation au monde. Mais j’aimerais également citer IBM et le CEA-LETI de Grenoble qui sont très engagés dans le projet avec leurs équipes de recherches et fonderies silicium. Nous travaillons également avec Infineon, Global Foundries, le Centre de Recherches de Jülich, ainsi que le SCIPROM et les universités de Bologne, Dortmund, Udine et Pise.

Quelles applications les futurs transistors à effet tunnel auront-ils ?
D’ici cinq ans environ, on estime qu’ils permettront de diviser par dix la consommation des appareils électroniques en marche, et la réduire à pratiquement zéro en mode veille. Cela représente une économie d’énergie substantielle car l’Union Européenne estime que le standby représente à l’heure actuelle 10% de la consommation électrique des ménages. Cette technologie permettra aux téléphones mobiles de fonctionner quelques bonnes semaines, voire mois, sans recharger leurs batteries à terme, cette technologie pourrait permettre la réalisation de systèmes autonomes. En d’autres termes, les appareils pourraient s’autoalimenter avec le soleil ou d’autres sources d’énergie extérieures comme les vibrations ou les ondes électromagnétiques, remplaçant ainsi les piles électriques.

Quel est le plus gros frein auquel vous êtres confronté ?
Pour ce type de projet, les coûts d’industrialisation constituent généralement le plus gros frein. Il faut savoir que les transistors actuels figurent parmi les composants les meilleurs marché au monde. A priori, il sera donc difficile de convaincre les industriels de remplacer les transistors à effet de champ (MOSFET’s) par des transistors à effet tunnel (TFET’s). Mais je suis optimiste car l’engagement d’IBM dans Steeper démontre un réel intérêt de l’industrie, d’autant que les TFET’s pourront être produits sans que les fabricants de microprocesseurs doivent investir dans de nouveaux équipements. Afin d’offrir des coûts de production les plus bas possibles, nous proposons de ne remplacer dans un premier temps que les composants les plus gourmands du semi-conducteur par des TFET’s. En d’autres termes, une solution hybride afin de rendre possible une amélioration de l’efficacité énergétique à grande échelle.