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Hard du Hard • La Course aux Nanomètres - Partie 3

La Panne

Vers 97, les transistors commencent à avoir des soucis de performance. La miniaturisation du nœud 350 nm a été très décevante d'un point de vue de l'amélioration des fréquences de commutation: celles-ci stagnent malgré la réduction de la taille du transistor !

En effet, si réduire la taille du transistor permet en théorie d'améliorer d'autant la fréquence de commutation d'un transistor, en pratique on commence déjà à atteindre des dimensions où les couplages parasites nous posent problème.  Et ainsi, dès le nœud technologique 250 nm, il a fallu réfléchir à des solutions pour améliorer les performances en fréquence EN PLUS de réduire la taille.

La solution sera de raccourcir encore le canal en complexifiant le dopage des contacts de source et de drain, en affinant la grille. Cette étape est complexe : elle rajoute une implantation ionique qui n'est pas auto-alignée.

Pour cela, on développe des méthodes pour diminuer artificiellement la taille d’un motif unique entre sa photolithographie et sa gravure : le shrinking. Le shrinking va nous permettre, avec l’amélioration de la lithographie, de diminuer la taille des motifs mais sans améliorer la résolution. On va pouvoir décorréler le demi-pitch de la longueur sous la grille (donc la longueur du canal) pour affiner les performances que l’on veut.

Ces petits arrangements permettent de se remettre dans la course à l'augmentation des fréquences de fonctionnement, qui étaient multipliées par 1.6 tous les deux ans jusque là. Mais le nœud 250 nm aura une longueur de canal de 200 nm (au lieu de 250 nm comme il aurait du avoir).

Pour le nœud suivant, le 180 nm, c'est la diminution du pitch qui sera compliquée. Les lasers Deep UV au fluorure de krypton (KrF), de longueur d'onde 248 nm, ne pourront pas faire mieux que 230 nm de demi-pitch. Cependant, l'introduction des interconnexions en cuivre par procédé damascène d'IBM, permet d'améliorer les performances des puces à ce qu'un transistor "théorique" d'un nœud 180 nm aurait du avoir en permettant de faire des lignes de contact plus serrées.

Entre 1995 et 1999, la définition du nœud technologique, qui accompagnait la loi de Moore, change complètement. La dénomination qui auparavant désignait deux grandeurs importantes du transistor sur la puce (la longueur du canal et le demi-pitch, issues de la résolution de la photolithographie) devient une dénomination de performance. Le transistor "est équivalent à" un transistor parfait de demi-pitch de son nœud technologique. Et si l’entrée en service des premiers scanners Deep UV va permettre de rattraper l'écart de demi-pitch en 2003-2004, ce n’est pas durable et l’écart se creusera à nouveau dès 2005. Depuis, la longueur de grille va se réduire plus vite que le nœud technologique, le demi-pitch moins vite. La dimension du noeud reflète ce compromis entre performances et dimensions.

Le tournant des années 2000 est appelé par certains analystes comme le "No More Free Lunch", ou Pénurie De Galettes Gratuites en français (NDLR : on vient de l'inventer). L'ingénierie des procédés, l'intégration des procédés et la conception des puces doivent lutter de plus en plus pour obtenir les mêmes augmentations de performances qu'auparavant. C'est là que la fréquence des microprocesseurs se met à stagner autour des valeurs d'aujourd'hui et que les designers vont commencer à ajouter des cœurs logiques pour compenser. C'est la raison pour laquelle les records d'overclocking vont se faire de plus en plus rares.

NoeudDemi pitchLongueur de canal
2009 32 nm 52 nm 29 nm
2007 45 nm 68 nm 38 nm
2005 65 nm 90 nm 32 nm
2004 90 nm 90 nm 37 nm
2003 100 nm 100 nm 45 nm
2001 130 nm 150 nm 65 nm
1999 180 nm 230 nm 140 nm
1997 250 nm 250 nm 200 nm
1995 350 nm 350 nm 350 nm
1992 500 nm 500 nm 500 nm

Tout va y passer pour améliorer les performances  : nouveaux matériaux pour les oxydes de grille et pour les interconnexions, profils de dopage innovants, ingénierie du wafer en SOI… Mais à partir de 2014 et le dernier 20 nm, il n'est plus possible de réduire le transistor planaire. La longueur de grille est trop petite, les fuites sont trop importantes, les capacités sont trop parasites et le courant qui y passe est trop incontrôlable. Le planar a atteint ses limites.

Une décennie de galère qui aura donné à l'industrie de la microélectronique la forme qu'elle a aujourd'hui, en la forçant à la spécialisation et à la coopération à l'échelle mondiale à cause des investissement titanesques qu'elle a du faire. C'est au tout début des années 2010 qu'Intel réussit un coup de génie et sort de l'ornière en remplaçant l'intégration planaire par le FinFET à partir du nœud 22 nm. Une intégration qui n’aura pas que des avantages d’ailleurs, mais on verra ça la prochaine fois.

hard du hard
La Course aux Nanomètres

1ème partie /5Briques Technologiques, Kezako ?
2ème partie /5 — Sur l'autoroute du CMOS
3ème partie /5 — Noeuds Technologiques à l'ère du Planar
→ 4ème partie /5 — Le Paradoxe du FinFET
→ 5ème partie /5 —


Un poil avant ?

La guerre du frame generation

Un peu plus tard ...

Test • Gelid Solutions HeatPhase Ultra

Les 4 ragots
Les ragots sont actuellement
ouverts à tous, c'est open bar !
par Un ragoteur pointilleux en Nouvelle-Aquitaine, le Jeudi 21 Décembre 2023 à 10h13  
Un excellent article, merci !

Juste une remarque générale, à propos de la fameuse et fort mal nommée "loi de Moore": cela n'a jamais été une loi, mais tout au plus une conjecture (en fait, une vulgaire extrapolation des résultats constatés par Moore dans les années précédant l'émission de cette conjecture).

Qu'ensuite, et comme le précise fort bien cet article, cette conjecture ait été utilisée comme un but à atteindre par l'industrie puis, dans une paire de tentatives désespérées pour prolonger sa validité, qu'elle ait été reformulée, cela ne fait que démontrer qu'il n'y a aucun principe physique, ni même économique qui permette d'en faire une "loi", bien au contraire !
par Baptiste B., le Mercredi 20 Décembre 2023 à 19h54  
par Un ragoteur bio du Grand Est le Mercredi 20 Décembre 2023 à 13h19
Du coup, tu m'as donné envie d'être grincheux!

Intéressant petit article, mais après ses 3 pages j'ai eu l'impression d'à peine finir l'apéro, du coup j'espère que cette série sera la fondation d'une série bien plus complète, une approche visant la vulgarisation pour approfondir les aspects dignes d'intérêt.
Je ne spoil pas
par Un ragoteur bio du Grand Est, le Mercredi 20 Décembre 2023 à 13h19  
par linkin623 le Mardi 19 Décembre 2023 à 19h37
Merci encore pour cette série d'articles ! J'ai vu quelques grincheux mais ils postent beaucoup plus que ceux qui apprécient, alors cette fois je le fais !
Du coup, tu m'as donné envie d'être grincheux!

Intéressant petit article, mais après ses 3 pages j'ai eu l'impression d'à peine finir l'apéro, du coup j'espère que cette série sera la fondation d'une série bien plus complète, une approche visant la vulgarisation pour approfondir les aspects dignes d'intérêt.
par linkin623, le Mardi 19 Décembre 2023 à 19h37  
Merci encore pour cette série d'articles ! J'ai vu quelques grincheux mais ils postent beaucoup plus que ceux qui apprécient, alors cette fois je le fais !