Une équipe comprenant Anirban Chowdhury (à gauche) et Dipanjan Sen (à droite) a mis au point un thermomètre incroyablement petit, intégrable directement sur les puces informatiques. Crédit : Jaydyn Isiminger / Penn State . Creative Commons
Les puces semi-conductrices qui équipent les processeurs des ordinateurs modernes sont constituées de milliards de transistors individuels, chacun pouvant surchauffer en cas de forte sollicitation, entraînant une chute brutale des performances. Pour remédier à ce problème, une équipe de chercheurs de Penn State a mis au point un thermomètre microscopique, plus petit que l’antenne d’une fourmi, qui peut être intégré à une puce pour mesurer précisément les températures.
En utilisant une nouvelle classe de matériaux bidimensionnels (2D) d’une épaisseur de quelques atomes seulement, l’équipe a conçu des capteurs capables de détecter des variations de température infimes en seulement 100 nanosecondes, soit des millions de fois plus vite qu’un clignement d’œil. La structure extrêmement compacte de ces capteurs permet d’en intégrer un grand nombre directement sur une seule puce informatique, offrant ainsi, selon les chercheurs, une surveillance de la température d’une efficacité remarquable. L’équipe a détaillé ses travaux dans un article publié aujourd’hui (6 mars) dans la revue Nature Sensors .
Selon Saptarshi Das , professeur Ackley de sciences de l’ingénierie, professeur de sciences de l’ingénierie et de mécanique à Penn State et auteur correspondant de l’article, la surveillance précise de la température des transistors — de minuscules dispositifs qui contrôlent le flux d’électricité dans un circuit — est actuellement l’un des aspects les plus difficiles du développement des puces informatiques ou des circuits intégrés haute performance.
« Ces puces chauffent rapidement pendant leur utilisation, mais les capteurs qui surveillent leur température ne sont pas intégrés à la puce », a déclaré Das. « L’une des principales questions que se posent les chercheurs est de savoir s’il est possible d’intégrer directement la détection de température dans les puces, ce qui permettrait des mesures plus rapides et plus précises. »
Pour ce faire, un capteur de température devrait être incroyablement petit, car les capteurs traditionnels sont trop grands et encombrants pour être intégrés directement sur une puce, explique Das. Afin de miniaturiser leurs capteurs en thermomètres d’un micromètre carré seulement, soit une tuile plusieurs milliers de fois plus petite que l’épaisseur d’un cheveu, l’équipe a utilisé une nouvelle classe de matériaux 2D — les thiophosphates bimétalliques — qui n’avaient jusqu’alors jamais été utilisés dans les capteurs thermiques.
Selon Das, les propriétés distinctives de ce matériau, notamment la capacité des ions à continuer de se déplacer efficacement même sous l’effet d’un courant électrique, permettent aux capteurs de présenter une forte dépendance à la température, même à des dimensions extrêmement réduites. Cela signifie que les propriétés physiques du matériau peuvent s’adapter dynamiquement aux variations de température.
« Mon équipe de recherche travaille beaucoup sur les matériaux 2D, car Penn State est considérée comme un chef de file dans ce domaine », a déclaré Das. « Nous avons découvert qu’en utilisant cette classe de matériaux, nous pouvions développer des capteurs thermiques très rapides, à faible consommation d’énergie et extrêmement miniaturisés, ce qui permet d’en intégrer un grand nombre sur une seule puce. »
« Il s’agit d’une preuve de concept démontrant la viabilité de cette conception : elle peut être miniaturisée, consomme peu d’énergie et pourrait constituer la prochaine étape en matière d’intégration de la surveillance de la température directement dans les puces. »
Saptarshi Das , professeur Ackley de sciences de l’ingénieur
Selon Dipanjan Sen, doctorant en sciences de l’ingénieur à Penn State et premier auteur de l’article, ce matériau 2D permet de coupler le transport des ions et des électrons – des particules subatomiques qui jouent des rôles différents dans le transfert d’énergie. Si l’amélioration du flux d’électrons peut conduire à des dispositifs plus performants, une meilleure régulation des ions au sein d’un système peut optimiser la gestion et le contrôle thermiques, ces particules étant particulièrement sensibles à la chaleur.
Ce couplage permet aux minuscules capteurs de fonctionner avec les mêmes courants électriques que ceux alimentant la puce, ce qui leur permet de fournir des mesures de température extrêmement précises sans impacter sensiblement les performances de cette dernière. Das a expliqué que la compréhension de cette relation était essentielle à l’intégration directe des capteurs sur la puce.
« Ce que l’industrie considère généralement comme indésirable dans les transistors est en réalité un atout pour la détection thermique ; nous avons donc cherché à exploiter cette propriété dans notre conception », explique Das. « Plutôt que de tenter d’éliminer ces ions du système, nous les utilisons à notre avantage. Le couplage de ces ions pour la détection de température et des électrons pour la lecture de ces données thermiques nous permet d’obtenir un dispositif extrêmement précis et compact. »
L’équipe a utilisé des instruments de pointe du Laboratoire de nanofabrication de l’Institut de recherche sur les matériaux pour fabriquer les capteurs et en intégrer des milliers sur une seule puce. Non seulement ce capteur est plus de 100 fois plus petit que les autres capteurs de référence, mais il est aussi jusqu’à 80 fois plus économe en énergie que les systèmes traditionnels à base de silicium, car il ne nécessite ni circuits supplémentaires ni convertisseurs de signal.
En utilisant des matériaux 2D, l’équipe a conçu des capteurs si compacts que des milliers peuvent être intégrés sur une seule puce. Un exemple est visible sur l’écran d’ordinateur : une puce placée sous un microscope révèle le vaste réseau de capteurs répartis à sa surface. Crédit : Jaydyn Isiminger / Penn State . Creative Commons
Das estime que les capteurs de l’équipe pourraient être intégrés aux technologies existantes afin d’améliorer l’efficacité et la stabilité des ordinateurs. L’équipe prévoit de poursuivre ses travaux de développement et d’explorer de nouvelles applications des matériaux 2D dans la conception de capteurs. Selon Das, ces recherches pourraient servir de base au développement de futurs capteurs capables de mesurer des informations chimiques, optiques ou physiques dans un format extrêmement compact.
« Il s’agit d’une preuve de concept démontrant la viabilité de cette conception : elle peut être miniaturisée, elle consomme peu d’énergie et pourrait constituer la prochaine étape en matière d’intégration de la surveillance de la température directement dans les puces », a déclaré Das.
