Voici l’ordinateur en nanotubes de carbone

 

Les composants en silicium atteignent leurs limites. Une alternative intéressante est proposée

• Image au microscope électronique du prototype. (Butch Colyear)

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Tous nos ordinateurs fonctionnent grâce au silicium. Mais le matériau est en train d’atteindre ses limites. Pour ne pas freiner l’augmentation de la puissance de calcul des machines, plusieurs alternatives sont explorées, parmi lesquelles les nanotubes de carbone. Une équipe de l’Université de Stanford, en Californie, est parvenue à mettre au point le premier ordinateur basé sur cette technologie. La machine, d’à peine quelques millimètres, est certes très rudimentaire, mais elle ouvre une nouvelle voie prometteuse. Ces travaux sont publiés aujourd’hui dans la revue Nature.

Le transistor est le constituant élémentaire de toute l’électronique moderne. Il peut être utilisé comme un interrupteur. Cela grâce aux propriétés de matériaux qu’on appelle semi-conducteurs: selon le voltage qu’on leur applique, ils laissent ou non passer le courant. En combinant ces éléments, il est possible de réaliser des opérations logiques, qui, au final, font fonctionner votre ordinateur.

Les propriétés de semi-conducteur du silicium en ont fait la star de l’électronique depuis la moitié du XXe siècle. «Il est au cœur de l’informatique et des ordinateurs depuis des décennies, souligne l’un des auteurs de l’étude, Max Shulaker, de l’Université de Stanford. Mais on est arrivé à un point où le pousser plus loin, pour parvenir à en tirer plus, devient de plus en plus difficile.» L’industrie du semi-conducteur a suivi pendant longtemps la loi de Moore: environ tous les deux ans, elle est parvenue à doubler le nombre de transistors sur une puce. Mais, depuis quelques années, cette progression a été enrayée, certains éléments ayant atteint leur limite inférieure de taille. D’où la quête d’autres solutions.

Les nanotubes de carbone sont des cylindres creux formés d’une seule couche de carbone enroulée sur elle-même. Ils ont un diamètre de quelques nanomètres (milliardièmes de mètre). Outre les questions de miniaturisation, ils devraient offrir une meilleure efficacité énergétique que le silicium.

Deux problèmes inhérents à ces structures ont toutefois fortement handicapé les progrès technologiques dans ce domaine. «Tout d’abord, ils ne poussent pas en parfaite ligne droite, explique Max Shulaker. Ces mauvais positionnements peuvent engendrer des connexions aléatoires dans un circuit et provoquer des courts-circuits, par exemple.»

Selon la disposition des atomes de carbones sur le cylindre, il arrive aussi que des tubes soient métalliques plutôt que semi-conducteurs. Contrairement aux matériaux semi-conducteurs, les matériaux métalliques laissent passer le courant en tout temps. «Si un transistor est métallique, on ne peut pas le fermer», illustre le chercheur.

Mais l’équipe de Stanford a trouvé des astuces pour prémunir ses circuits de ces imperfections. «Pour nous débarrasser des éléments métalliques, nous utilisons une méthode appelée «claquage électronique». Nous fermons tous les transistors semi-conducteurs et appliquons un voltage élevé aux autres. Les nanotubes métalliques brûlent un peu comme des fusibles.»

Quant au problème de positionnement des tubes, les chercheurs américains utilisent une architecture particulière pour le contourner. «Ils n’utilisent pas un tube par transistor mais plusieurs – entre 10 et 200, détaille Patrycja Paruch, du Département de physique de la matière condensée de l’Université de Genève. Ainsi, si certains sont défectueux, on obtient une sorte de moyenne sur l’ensemble.» Elle ajoute que la technique de fabrication et de mise en place des tubes permet de mieux les aligner.

«L’approche a aussi consisté à choisir l’ordinateur le plus simple possible, relève Franz Kreupl, de l’Université technique de Munich, dans une analyse publiée également par Nature. Cela afin de réduire la complexité de la circuiterie, et donc le nombre de transistors nécessaires.» La machine ne manipule donc que des informations d’un bit, alors que la plupart des ordinateurs actuels ont des processeurs de 32 ou 64 bits. Elle ne sait en outre réaliser qu’une seule opération.

«Un ordinateur peut difficilement être plus minimaliste que ça», commente Adrian Ionescu, du Laboratoire des dispositifs nanoélectroniques de l’Ecole polytechnique fédérale de Lausanne. «Mais, avec beaucoup de répétitions, cette unique opération permet de réaliser toutes les autres», souligne Patrycja Paruch. Elle doit donc suffire à concevoir un ordinateur universel. En guise de démonstration, les chercheurs ont fait exécuter à leur machine des algorithmes basiques de comptage et de tri de nombres entiers. Elle est aussi multitâche, c’est-à-dire qu’elle est capable de partager son temps entre plusieurs processus exécutés en parallèle.

«En termes de performance, l’engin est loin d’être compétitif avec les standards actuels mais, s’il avait été conçu en 1955, il le serait», illustre Franz Kreupl. Adrian Ionescu le comparerait plutôt aux ordinateurs des années 1970 – notamment en termes de taille. En effet, les transistors utilisés sont pour l’instant de l’ordre du micromètre (millionième de mètre), alors que les transistors en silicium ne font plus que quelques dizaines de nanomètres. «Mais il a fallu des dizaines d’années pour développer la technologie du silicium, souligne le scientifique. Cette machine est une preuve de concept, elle montre qu’il n’est pas impossible de réaliser un ordinateur avec des nanotubes de carbone. Et ça, personne ne l’avait fait jusqu’à maintenant. C’est la première fois que cette technologie sort du laboratoire de physique pour entrer dans le monde de l’ingénierie, c’est-à-dire qu’elle fait quelque chose d’utile.»

Reste à voir si les nanotubes de carbone tiennent leurs promesses en termes de miniaturisation et d’efficacité énergétique. Pour Adrian Ionescu, il n’est pas dit qu’ils parviennent un jour à surclasser les propriétés du silicium. Mais le chercheur estime qu’ils pourraient permettre de simplifier les processus de production et d’abaisser les coûts. Max Shulaker évoque aussi la possibilité de combiner cette technologie avec celle du silicium, que l’industrie n’est pas prête à abandonner. Il espère que, d’ici à une dizaine d’années, les nanotubes seront commercialement intéressants.