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Détermination de la vitesse maximale de traitement d’une micro-puce

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Marrakech, 25 Mar. (Maroc-Actu) –

La vitesse maximale de transmission des signaux dans les micropuces est d’environ un pétahertz (un million de gigahertz), environ 100 000 fois plus rapide que les transistors d’aujourd’hui.

Des physiciens de l’université Ludwig-Maximilian de Munich, de l’institut Max-Planck d’optique quantique et des universités technologiques de Vienne et de Graz ont récemment publié cette découverte dans la revue scientifique Nature Communications. Cependant, on peut se demander si des puces d’ordinateur de cette vitesse maximale peuvent être produites.

La microélectronique poursuit deux approches pour rendre les ordinateurs plus rapides. D’une part, on s’efforce de rendre les composants de plus en plus petits pour que la transmission des données (trajet du signal de A à B) soit littéralement « moins longue ». La limite physique de cette miniaturisation est la taille d’un atome.. Un circuit ne peut pas être physiquement plus petit.

La deuxième possibilité pour accélérer la transmission des données consiste à accélérer les signaux de commutation des transistors eux-mêmes. Ce sont les composants des micropuces qui bloquent ou permettent le passage du courant. Et c’est là qu’interviennent les recherches du groupe de physique germano-autrichien.

Rapide dans ce cas signifie « haute fréquence », comme il l’explique dans une déclaration Martin Schultze, auteur principal et directeur de l’Institut de physique expérimentale de l’Université technologique de Graz (TU Graz) : « Plus on veut aller vite, plus la fréquence est élevée. Le signal électromagnétique doit l’être, et à un moment donné, nous entrons dans la gamme de la fréquence de la lumière, qui peut également être considérée ou utilisée comme un signal électromagnétique ».

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C’est le cas, par exemple, en optoélectronique, où la lumière est utilisée pour exciter les électrons du semi-conducteur de la bande de valence (la zone où les électrons résident normalement) à la bande de conduction, de sorte qu’il passe de l’état isolé à l’état conducteur. L’énergie d’excitation est déterminée par le matériau semi-conducteur lui-même. Elle se situe dans la gamme de fréquences de la lumière infrarouge, ce qui correspond finalement aussi à la vitesse maximale réalisable avec ces matériaux.

Les matériaux diélectriques (comme le verre ou la céramique) pourraient surmonter ces limites, car ils nécessitent beaucoup plus d’énergie pour être excités que les semi-conducteurs. À son tour, une plus grande quantité d’énergie permet d’utiliser une lumière de plus haute fréquence et donc une transmission de données plus rapide.

Malheureusement, les matériaux diélectriques ne peuvent pas conduire l’électricité sans se briser, comme l’illustre Marcus Ossiander, premier auteur de l’étude et actuellement chercheur postdoctoral à l’université de Harvard : « Par exemple, si vous appliquez un champ électromagnétique à du verre pour le rendre conducteur d’électricité, cela provoque généralement la rupture du verre et la formation d’un trou.

La solution choisie par le groupe de recherche pour ses investigations a consisté à maintenir l’impulsion de tension appliquée ou la fréquence de commutation. si courte que le matériau n’a pas du tout le temps de se décomposer.

Plus précisément, les physiciens ont utilisé une impulsion laser ultracourte dont la fréquence se situe dans l’extrême ultraviolet pour leurs recherches. Ils ont bombardé un échantillon de fluorure de lithium avec cette impulsion laser. Le fluorure de lithium est diélectrique et possède la plus grande bande interdite de tous les matériaux connus. C’est la distance entre la bande de valence et la bande de conduction.

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L’impulsion laser ultracourte a amené les électrons du fluorure de lithium dans un état plus énergétique afin qu’ils puissent se déplacer librement. De cette façon, le matériau est brièvement devenu un conducteur électrique. Une seconde impulsion laser, légèrement plus longue, a dirigé les électrons excités dans la direction souhaitée, créant ainsi un courant électrique qui pouvait ensuite être détecté à l’aide d’électrodes situées de part et d’autre du matériau.

Les mesures ont permis de répondre aux questions suivantes : à quelle vitesse le matériau réagit à l’impulsion laser ultracourte, combien de temps il faut pour générer le signal et combien de temps il faut attendre avant que le matériau puisse être exposé au signal suivant. « Il s’ensuit qu’autour d’un pétahertz, il existe une limite supérieure pour les processus optoélectroniques contrôlés ». déclare Joachim Burgförder, de l’Institut de physique théorique de la TU Wien.

Bien entendu, cela ne signifie pas qu’il est possible de produire des puces informatiques dont la fréquence d’horloge est légèrement inférieure à un pétahertz. Mais une chose est sûre : pour l’instant, l’optoélectronique ne sera pas plus rapide que ce qui a été montré dans les expériences. La mesure dans laquelle les technologies futures s’approcheront de cette limite est inscrite dans les étoiles.

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