La loi de Moore, moteur de l’innovation dans les semi-conducteurs pendant plus d’un demi-siècle, vit ses dernières années. Alors que le rythme de miniaturisation des transistors ralentit, l’industrie mise désormais sur une autre voie pour prolonger les gains de performance : la réinvention des matériaux au cœur des puces. De simples supports passifs, les matériaux passent au premier plan dans une reconfiguration technique majeure aux implications profondes pour l’avenir de l’informatique.
La fin programmée d’un paradigme
Formulée en 1965 par Gordon Moore, la célèbre loi promettait un doublement du nombre de transistors sur une puce tous les deux ans. Cette prédiction s’est traduite par des avancées fulgurantes dans la puissance de calcul, liées à la réduction continue de la taille des transistors. Mais aujourd’hui, les fonderies atteignent des seuils proches des limites physiques. À 3 nanomètres, la taille des transistors équivaut à une quinzaine d’atomes. Ce seuil technique complique la fabrication et augmente les coûts de manière exponentielle.
Selon les projections, la loi de Moore pourrait atteindre un plateau entre 2030 et 2040. Pour l’éviter, l’industrie doit adopter une nouvelle approche orientée matière. Et cette transition est déjà en cours.
Matériaux : un levier stratégique pour un nouveau cycle
Longtemps dominée par le silicium, la fabrication des semi-conducteurs s’ouvre désormais à des éléments plus complexes aux propriétés inédites. L’objectif : contourner les limites de la miniaturisation en optimisant les fonctionnalités au niveau moléculaire. Ce changement de paradigme s’impose alors que les besoins explosent dans des domaines comme l’IA, les véhicules autonomes et l’edge computing.
Trois grands défis exigent cette transformation :
- La dissipation thermique, devenue critique à mesure que la densité des transistors augmente.
- Les coûts liés à la photolithographie EUV (Extreme Ultraviolet), une technologie de plus en plus difficile à rentabiliser.
- La montée en puissance d’architectures spécifiques nécessitant des composants modulaires et performants.
Les matériaux de demain : graphène, GaN et semi-conducteurs 2D
Pour surmonter le mur du silicium, les industriels investissent dans des matériaux atomiquement fins ou ultra-efficaces. Les semi-conducteurs 2D, comme le graphène ou les dichalcogénures de métaux de transition (TMDs), se distinguent par leur mobilité électronique exceptionnelle et leur capacité à fonctionner dans des espaces très restreints.
Parmi les substitutions prometteuses :
- Le nitrure de gallium (GaN), parfait pour les applications à haute fréquence et faible consommation.
- Les matériaux d’épaisseur atomique, qui permettent des transistors plus rapides et plus économes en énergie.
Intel a annoncé en décembre 2022 de nouvelles découvertes matérielles capables d’intégrer des transistors avec seulement trois couches atomiques. Cette percée ouvre la voie à la réalisation de puces contenant un trillion de transistors, objectif fixé pour la prochaine décennie.
Vers des puces 3D et modulaires
Au-delà des matériaux, l’évolution passe aussi par la structure des composants. Plutôt que de poursuivre indéfiniment le « shrinking », l’industrie privilégie des architectures alternatives pour augmenter la densité des fonctions sans réduire la taille des composants.
Les solutions les plus en vue incluent :
- Les empilements 3D, qui exploitent la hauteur pour intégrer plusieurs fonctions sur un même volume, avec de meilleures performances thermiques et une réduction de la latence.
- Les chiplets, petits blocs fonctionnels interconnectés selon les besoins des systèmes, permettant une flexibilité extrême dans la conception des processeurs.
Cette approche modulaire a pour avantage de simplifier l’assemblage, d’abaisser la consommation électrique et d’offrir des performances à la carte. Comme le souligne Dr. Ann Kelleher d’Intel : « L’assemblage avancé donne aux architectes de nouveaux outils pour poursuivre la loi de Moore. »
Prouesses technologiques et nouveaux standards
Le résultat de ces innovations commence déjà à se matérialiser. IBM a dévoilé un prototype de puce en 2 nanomètres qui surpasse les modèles 7 nm avec une amélioration de 45 % des performances et une réduction de 75 % de la consommation énergétique.
Chez Intel, les travaux en cours visent les technologies sub-1 nm pour le début des années 2030. Une ambition rendue possible uniquement par l’intégration de ces nouveaux matériaux et par des architectures disruptives. Ces avancées redéfinissent les standards de l’industrie des semi-conducteurs pour la décennie à venir.
Conséquences industrielles et géopolitiques
Ce virage stratégique a d’importantes implications économiques. Les procédés de fabrication avancés requièrent des équipements spécialisés, une expertise rare et une infrastructure de pointe. Le coût du développement dépasse largement les niveaux précédents, rendant crucial l’investissement dès aujourd’hui.
Face à cette transformation, plusieurs pays intensifient leurs efforts pour sécuriser leur souveraineté technologique. La Chine, les États-Unis et l’Europe multiplient les plans publics pour développer leur propre filière de production et limiter leur exposition à une chaîne mondiale concentrée.
De plus, la diversification des matériaux pourrait rééquilibrer la chaîne de valeur, aujourd’hui dominée par une poignée de fonderies comme TSMC et Samsung. Une transition qui pourrait amener plus de résilience et de concurrence dans les années à venir.
Défis techniques et bottlenecks scientifiques
Mais cette nouvelle trajectoire ne va pas sans obstacles. L’un des défis centraux reste la dissipation thermique. À mesure qu’on densifie les fonctions, évacuer la chaleur devient une condition essentielle pour les performances et la fiabilité. Les chercheurs misent donc sur des matériaux à faible résistance électrique et à meilleure conduction thermique.
Autre difficulté : l’adaptation des outils de conception. L’ère post-Moore impose une refonte des modèles d’ingénierie, pour intégrer des composants aux propriétés radicalement différentes. Cela inclut de nouveaux logiciels, des méthodes de simulation adaptées aux matériaux 2D et des protocoles d’assemblage compatibles avec l’empilement 3D.
Calendrier des grandes étapes
- Décembre 2022 : Intel annonce le développement de nouveaux matériaux atomiques pour prolonger la loi de Moore.
- 2024-2025 : IBM commercialise les premiers prototypes 2 nm à haute efficacité énergétique.
- 2025 : Accélération des recherches sur les chiplets et les semi-conducteurs 2D, avec un soutien financier massif des États et industriels.
- Années 2030 : Mise sur le marché de technologies sub-1 nm, conditionnée par des percées majeures en science des matériaux.
Sortir de l’ombre du silicium
Le ralentissement de la loi de Moore ne signe pas la fin de l’innovation en informatique. Au contraire, il incite les ingénieurs à sortir des sentiers battus. Les avancées dans les matériaux, les structures 3D et les architectures modulaires entament un nouveau chapitre. L’avenir ne dépendra plus de la somme de transistors, mais de leur ingéniosité technologique.
Comme le résume une récente analyse : « Repenser les matériaux pourrait radicalement réduire la complexité d’assemblage et la consommation énergétique. » Face à cette révolution silencieuse, l’enjeu est clair : maîtriser la matière pour façonner le futur du calcul.
