Les premiers ordinateurs ont été construits à l'aide de composants électromécaniques, contrairement aux systèmes électroniques modernes d'aujourd'hui. Le multiplicateur de cryptanalyse d'Alan Turing et le Z2 de Konrad Zuse ont été inventés et construits dans la première moitié du XXe siècle et ont été parmi les premiers ordinateurs jamais construits. Des interrupteurs et des relais électromécaniques effectuaient des opérations logiques dans ces machines. Même après que les ordinateurs aient été construits pour la première fois à l'aide de tubes à vide et de transistors électroniques, certains des premiers ordinateurs électromécaniques (basés sur des relais) sont restés en service car leur vitesse plus lente était compensée par une fiabilité supérieure. Aujourd'hui, la plupart des ordinateurs incluent des dispositifs logiques et de mémoire qui fonctionnent à l'aide d'une technologie à base de transistors à l'échelle nanométrique.
Fig. 1 : Réplique de l'ordinateur électromécanique de Turing [1]
Les MEMS (Micro-Electro-Mechanical-Systems) sont de nouveaux dispositifs miniaturisés qui combinent des fonctions mécaniques et électriques. Ces appareils sont utilisés dans les téléphones portables, les automobiles et de nombreuses autres technologies électroniques modernes, et ont radicalement changé nos vies et notre façon de travailler et de vivre. Les MEMS sont également fabriqués sur des tranches de silicium. Ils utilisent des processus de fabrication identiques ou similaires à ceux des puces logiques et mémoire à base de transistors pour les étapes de dépôt, de gravure et de nettoyage. Alors, pourrions-nous utiliser la technologie MEMS pour créer des ordinateurs basés sur une logique et une mémoire électromécaniques à micro-échelle, similaires aux premiers jours de l'informatique ?
Les produits MEMS peuvent être directement intégrés dans des dispositifs logiques et mémoires CMOS (complémentaires métal-oxyde-semi-conducteurs) conventionnels. Cependant, la majorité des produits MEMS d'aujourd'hui sont basés sur une approche à double puce, où il existe un processus de fabrication pour le dispositif MEMS et un autre processus pour créer les composants d'interface électronique (CMOS) associés. Néanmoins, il existe un grand nombre d'exemples réussis de dispositifs MEMS directement produits et intégrés à l'électronique CMOS. La matrice de miroirs DLP de Texas Instrument, l'accéléromètre micro-usiné de surface d'Analog Devices pour les applications d'airbag automobile et le commutateur RF MEMS d'AAC-Wispry sont quelques exemples de dispositifs MEMS qui ont été intégrés de manière monolithique sur des tranches CMOS avec un grand succès.
Développements des systèmes nano-électromécaniques (NEMS) dans la logique et la mémoire
Au cours des dernières décennies, l'électronique CMOS a suivi la loi de Moore en réduisant la taille et en augmentant de manière exponentielle la densité des transistors. Ce processus de mise à l'échelle se poursuit au moment où nous parlons, avec des structures de plus en plus complexes inventées pour les architectures de transistors. Une alternative à cette architecture de transistor consiste à utiliser les technologies CMOS existantes et à intégrer de manière monolithique des commutateurs électromécaniques miniaturisés dans des dispositifs logiques et de mémoire. Ces commutateurs miniaturisés sont souvent appelés systèmes nano-électro-mécaniques (NEMS).
L'une des motivations pour développer une logique ou une mémoire basée sur NEMS est la consommation d'énergie. La consommation d'énergie est devenue un goulot d'étranglement majeur dans la technologie informatique de pointe. C'est particulièrement un problème pour les applications informatiques émergentes à faible consommation d'énergie, telles que les nœuds de capteurs autonomes utilisés dans l'Internet des objets (IoT), les appareils de communication sans fil et les nouveaux ordinateurs mobiles utilisés dans l'informatique de pointe. Ces applications nécessitent toutes des circuits logiques avec une efficacité énergétique considérablement améliorée. Les commutateurs basés sur NEMS offrent un courant de fuite pratiquement nul pendant l'état désactivé, des caractéristiques de commutation nettes et des performances de courant élevées (faible résistance à l'état de courant). Les avantages potentiels de cette technologie comprennent une amélioration d'un ordre de grandeur de l'efficacité énergétique. De plus, les NEMS actionnés électrostatiquement ont démontré qu'ils fonctionnent efficacement à basse et haute température (-150 C à 300 C), ce qui leur permet de fonctionner dans des conditions environnementales difficiles.
Fig. 2 : Vue schématique d'un CMOS standard comprenant un commutateur électromécanique intégré monolithiquement dans BEOL [2]. Avec l'aimable autorisation : Université de Californie, Berkeley
Les NEMS peuvent être fabriqués à l'aide des couches métalliques des processus d'interconnexion standard CMOS Back-End-Of-Line (BEOL). Les processus BEOL peuvent être intégrés à la partie Front-End-Of-Line (FEOL) de l'appareil. La section FEOL comprend la section active (transistor) de l'appareil et comprend le bloc de construction du processus principal sur n'importe quelle puce informatique. L'empilement fabriqué par BEOL est composé de plusieurs couches métalliques et diélectriques pour former des fils d'interconnexion et des vias (structures d'interconnexion). Avec la réduction d'échelle des appareils électroniques, la taille minimale et l'espacement de ces structures à motifs (appelées pas) deviennent de plus en plus petits, tandis que le nombre de couches métalliques augmente. Ces petites tailles de fonctionnalités représentent un défi technologique potentiel, mais également une grande opportunité pour une nouvelle génération d'appareils basés sur NEMS. Jusqu'à présent, des circuits logiques basés sur NEMS ont été démontrés expérimentalement en utilisant des processus de fabrication CMOS de 0,35 um, 0,18 um, 65 nm et 16 nm.
Exemple de commutateur NEMS BEOL
La figure 3 montre un relais BEOL NEMS conçu à l'Université de Berkeley à l'aide d'un processus CMOS standard de 65 nm [3]. Le commutateur est actionné électrostatiquement et se compose d'un faisceau mobile, de deux électrodes de programmation (étiquetées Programme 0 et Programme 1) et de deux électrodes de contact (étiquetées D0 et D1). Le commutateur est représenté en vue en plan (a) et en vue en coupe le long de la ligne de coupe a-a' mettant en évidence les couches métal/via (b). Les résultats de simulation de la figure 3 affichent la position du commutateur NEMS lorsqu'il est programmé à l'état « 0 » (c) et à l'état « 1 » (d). L'échelle de couleurs en (c) et (d) affiche l'amplitude du déplacement dû à l'actionnement électrostatique. La réponse transitoire simulée (e) affiche les formes d'onde de tension du programme (graphique supérieur) et la position de pointe de faisceau correspondante dans le temps (graphique inférieur). Plusieurs commutateurs NEMS peuvent être placés ensemble dans des matrices pour exécuter des fonctions logiques ou de mémoire.
Fig. 3 : Modèle Coventor MEMS+ du commutateur reconfigurable BEOL NEM (à gauche), comportement transitoire simulé (au milieu) et tracé de contour d'énergie de (re)programmation minimum simulé en fonction de la rigidité effective et de la force d'adhérence de contact (à droite) [3]. Avec l'aimable autorisation : Université de Californie, Berkeley
Optimisation et mise à l'échelle de la conception
Les commutateurs BEOL NEMS sont capables de répondre aux exigences de conception en matière de tension de fonctionnement à faible puissance, de non-volatilité et de programmabilité. Différents aspects physiques de la conception NEMS doivent être abordés afin d'optimiser les performances de l'appareil. Les paramètres de conception disponibles pour un commutateur basé sur NEMS incluent la longueur, l'épaisseur et la largeur du faisceau, ainsi que l'espace de contact d'actionnement et la zone de contact. Certains de ces paramètres peuvent être choisis par le concepteur, d'autres dépendent de la technologie de fabrication et diminuent à chaque nouvelle génération de processus. À l'aide d'un modèle prédictif dans MEMS+, la tension de programme minimale peut être calculée pour des conceptions optimisées à différents nœuds technologiques. Une tension et une capacité d'électrode plus faibles réduiront l'énergie du programme. Le retard du programme mécanique diminuera avec la mise à l'échelle puisque l'espace de contact nécessite un déplacement de faisceau plus petit, et la masse réduite du faisceau conduit à un actionnement électrostatique plus rapide. Avec chaque nouveau nœud de la technologie CMOS, la taille minimale des fonctionnalités est réduite, ce qui permet de réduire les écarts. Par conséquent, la densité, l'énergie de commutation et le délai de commutation des commutateurs BEOL NEMS devraient s'améliorer avec la mise à l'échelle de la technologie [4, 5].
Conclusion
Plusieurs groupes de recherche ont proposé différentes conceptions de dispositifs électromécaniques miniaturisés pouvant être utilisés dans des applications logiques et de mémoire. Ces conceptions incluent des suspensions en forme de méandres [6], différentes configurations pour les électrodes latérales ou verticales [7, 8] et des portes logiques programmables à base de résonateur [9]. De nombreux ingénieurs en semi-conducteurs se souviennent de la célèbre conférence de Feynman où il a suggéré que nous explorions la « pièce du bas » [10] de la manipulation physique en réduisant les architectures de transistors à des dimensions nanométriques. Aujourd'hui, cela se produit avec le traitement actuel des semi-conducteurs FEOL. Nous ne devons pas oublier qu'il existe également d'énormes opportunités d'explorer la «pièce au sommet» au niveau de la partie BEOL des dispositifs à semi-conducteurs. Pour certaines applications spécialisées à faible consommation d'énergie, les dispositifs basés sur NEMS pourraient être très utiles lors du développement de la logique et de la mémoire, en raison de leur efficacité énergétique et de leur capacité à fonctionner dans des environnements défavorables. Les architectures basées sur NEMS pourraient nous ramener aux premiers jours de l'informatique électromécanique, mais le font en utilisant des dispositifs à base de silicium dans des applications informatiques à faible consommation.
Références et lectures complémentaires
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Alan_Turing
[2] U. Sikder ea., 3D Integrated CMOS-NEM Systems : Enabling Next-Generation Computing Technology, 2021 IEEE International Meeting for Future of Electron Devices, Kansai (IMFEDK)
[3] U. Sikder ea., Towards monolithically Integrated Hybrid CMOS-NEM Circuit, IEEE Transactions on Electron Devices, VOL. 68, NON. 12 décembre 2021
[4] T. K. Liu, J. Jeon, R. Nathanael, H. Kam, V. Pott et E. Alon, « Prospects for MEM logic switch technology », dans IEDM Tech. Dig., décembre 2010, p. 18.3.1–18.3.4.
[5] T.-J. K. Liu, U. Sikder, K. Kato et V. Stojanovic, « Il y a beaucoup de place au sommet », dans Proc. IEEE 30e Int. Conf. Micro Electro Mech. Syst. (MEMS), janvier 2017, p. 1 à 4
[6] Sumit Saha ea., Impact des effets thermiques sur les performances des circuits de déclenchement de puissance utilisant NEMS, FinFET et NWFET, IEEE Transactions on Electron Devices, VOL. 68, NON. 6 juin 2021
[7] Lars Prospero Tatum, Urmita Sikder, Tsu-Jae King Liu, Design Technology Co-Optimization for Back-End-of-Line Nonvolatile NEM Switch Arrays, IEEE Transactions on Electron Devices, VOL. 68, NON. 4 avril 2021
[8] Li, R., Azhigulov, D., Allehyani, A., & ; En ligneFariborzi, H. (2020). Convertisseurs CC-CC sans inductance à base de relais BEOL NEM. Symposium international IEEE 2020 sur les circuits et les systèmes (ISCAS)
[9] Ahmed, S., Li, R., Zou, X., Al Hafiz, M. A., & En ligneFariborzi, H. (2019). Modélisation et simulation d'une porte logique reprogrammable basée sur un résonateur MEMS utilisant des électrodes partielles. Symposium 2019 sur la conception, le test, l'intégration et l'amp; Conditionnement des MEMS et MOEMS (DTIP)
[10] https://en.wikipedia.org/wiki/There%27s_Plenty_of_Room_at_the_Bottom
