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Tri-Gate, les transistors "3D" d’Intel

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Ils équiperont bientôt les puces Ivy Bridge, explique Intel en montrant des transistors d'un nouveau genre, sculptés en trois dimensions pour de meilleures performances sur des puces gravées plus finement que les processeurs actuels.

Photographie au microscope électronique à balayage d'une série de transistors Tri-Gate. © Intel

« La plus grande évolution de l'architecture des processeurs depuis cinquante ans », « une annonce historique », « révolutionnaire ». Intel n'y va pas de main morte quand il annonce cette nouvelle famille de transistors, baptisés Tri-Gate, c'est-à-dire « trois portes ». Elle apporte de meilleures performances, « un gain de 32 % », explique le fabricant, en particulier en basse tension, ce qui se traduit par un encombrement plus faible, une vitesse maximale accrue et une réduction de la consommation électrique.

Ces transistors équiperont dès la fin de l'année les processeurs Ivy Bridge qui seront gravés en 22 nanomètres (nm), au lieu de 32 nanomètres pour les modèles actuels, et destinés aux ordinateurs de bureau et aux serveurs. Dans un second temps, Intel promet l'arrivée de ces puces plus denses sur le marché des appareils mobiles, un domaine où l'entreprise est à la peine, distancée par les sociétés proposant des processeurs à architecture ARM (Advanced Risc Machine).

Pourquoi ces transistors sont-ils qualifiés de 3D et pourquoi ont-ils trois portes ? On comprend mieux en regardant les images, photographies ou schémas publiés par Intel. Structure fondamentale des processeurs et des mémoires, le transistor peut être vu comme un interrupteur, ou une porte, qui laisse ou non passer le courant. Celui-ci arrive d'un côté (la source) et ressort ou non de l'autre côté (le drain) selon l'état du « bouton » de commande (la grille). Ces éléments sont aujourd'hui gravés sur une surface et chacun n'a qu'une épaisseur très faible.

Le schéma d'un transistor Tri-Gate. Les conducteurs électriques entrant et sortant (source et drain) ont une épaisseur importante (Hsi) et une certaine largeur (Wsi). Le contact avec la grille (gate) se fait par les deux côtés et sur le dessus. © Intel

Un meilleur contact

Au fil des générations et des progrès de la miniaturisation, ces gravures se font de plus en plus fines et aux dimensions obtenues aujourd'hui apparaissent des fuites de courant électrique. Les portes ferment mal : à l'état « 0 », un peu d'électricité passe quand même. Elles sont aussi trop étroites : à l'état « 1 », le débit de courant est faible. Ces contraintes se traduisent par une consommation plus élevée et une diminution de la vitesse maximale (mesurée en nombre de fois par seconde que la porte peut s'ouvrir et se fermer).

Dans le transistor Tri-Gate d'Intel, la source et le drain ont une certaine épaisseur et la grille (gate, en anglais) enserre ces conducteurs. Le contact se fait donc par les deux côtés et par le dessus, donc sur trois surfaces, au lieu d'une sur un transistor actuel. Voilà où est la 3D. Le transistor n'a donc pas vraiment trois portes. Ici gate signifie grille. Il n'a pas non plus trois grilles mais une grille à trois surfaces de contact.

Comparaison - très schématique - entre un transistor classique, à gauche, et un Tri-Gate, droite. Ces images sont extraites d'une vidéo en anglais commentée par l'un des concepteurs, Mark Bohr. On remarque l'épaisseur des conducteurs et les trois surfaces de contact avec la grille (en jaune). © Intel

 Cette structure, à laquelle les ingénieurs réfléchissent depuis déjà une dizaine d'années, pour les transistors ou pour les processeurs, a pour première conséquence de réduire la surface d'un transistor, ce qui diminue l'encombrement de la puce. Elle conduit aussi, nous explique Intel, à un meilleur contact électrique, ce qui réduit les pertes et augmente l'efficacité. À l'état off, le courant ne passe vraiment plus (la porte ferme bien) et à l'état on elle laisse passer davantage de courant (la porte ouverte est plus large). 

Bref, il n'y a que des avantages, sauf le coût de fabrication : « 10 % de plus » confie à L'Express Mark Bohr, l'un des concepteurs du Tri-Gate, qui décrit schématiquement le principe dans une vidéo en anglais. D'après Intel, ce transistor mieux sculpté permettra de poursuivre la miniaturisation des processeurs et des mémoires et de respecter, voire de dépasser, la sacro-sainte loi de Moore, qui prévoit un doublement des capacités des circuits électroniques tous les dix-huit mois. Elle pourrait aussi repositionner Intel sur le marché des processeurs à basse consommation qui équipent les appareils mobiles.

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