Les machines de pointe qui fabriquent les puces les plus avancées utilisent un laser qui frappe des gouttelettes d’étain jusqu’à 50 000 fois par seconde. Cela produit un plasma émettant de la lumière ultraviolette extrême. Guidée par des miroirs dans une chambre sous vide, cette lumière projette le motif des circuits sur une plaque de silicium recouverte d’une couche photosensible, ce qui permet de graver des structures de quelques nanomètres avec une grande précision.
Une telle machine coûte plusieurs centaines de millions de dollars et fait la taille d’un bus.
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...et en faisant usage de la photolithographie -notamment la photolithographie aux ultraviolets extrêmes (EUV)- pour la production de puces neuromorphiques, on arrive à intégrer jusqu'à un million de neurones artificiels par puce.
Tout comme pour les processeurs classiques, la photolithographie permet également de construire des puces neuromorphiques en couches minces empilées, où les neurones et synapses artificielles sont alignés avec une précision d'ordre nanométrique.
Grâce à celà, les distances entre synapses et axones artificiels sont écourtées, réduisant donc la résistance électrique. Ceci se traduit par une consommation encore moindre d'énergie, ainsi qu'un traitement plus rapide des réseaux de neurone à impulsion.
Mais il est également possible de combiner la photolithographie avec des matériaux optiques ou à changement de phase, afin d'obtenir des puces neuromorphiques photoniques. Ce ne sont donc plus des électrons qui circulent dans la puce, mais des photons voyageant à la vitesse de la lumière. Ceci augmente considérablement la rapidité de traitement, avec un consommation d'électricité bien moindre. En effet, les photons ne génèrent pas de chaleur par frottement et il n'y a pas de phénomène de résistance électrique.
Les puces neuromorphiques sont des structures imitant tant le fonctionnement du cerveau humain, comme ses réseaux de neurones/synapses.
Elles sont différentes des ordinateurs à neurones organiques (appelés Wetware ou bio-ordinateurs), conjugant une puce à microélectrodes et des véritables neurones humains. Son avantage est sa consommation très réduite d'électricité (de l'ordre de quelques watts), face à des superstructures énergivores. Les inconvénients existent cependant: il faut les nourrir, les maintenir à une température constante, et elles ont une espérance de vie ne dépassant pas quelques mois.
Chaque gouttelette d'étain est frappée 2x par les lasers, une fois à basse intensité pour lui donner une forme de galette, et une fois à haute intensité pour la vaporiser. Ce qui m'impressionne le plus est qu'ils ne ratent jamais aucune gouttelette.
Je tiens à m'excuser par avance, mon commentaire risque de pas être des plus clairs par manque de temps mais je me devais de commenter cette anecdote étant donné qu'il s'agit exactement de mon boulot; je me rends régulièrement à ASML où ils fabriquent les machines EUV et le commentaire de notre cher Epoxy reprend exactement mon sujet de thèse.
Bref, on fait de la photolithographie au nanomètre, c'est bien, mais quelqu'un a compris à quoi ça sert ? Enfin je veux dire, comment on passe d'un rayon laser hyper fin à un réseau de transistors capable d'imiter un cerveau humain? Ça n'a rien d'évident cette histoire donc je vais essayer d'expliquer le plus simplement possible.
Tout d'abord il nous faut un substrat semi-conducteur. C'est quoi un semi-conducteur ? C'est un matériau qui est un peu isolant et un peu conducteur électrique à la fois, on ne sait pas trop; ça peut être du silicium, du germanium, de l'arseniure de gallium ou du carbure de silicium. Avec ce semi-conducteur, on vient créer un réseau cristallin parfait ( en général par le procédé de Czochralski ).
Maintenant qu'on a un réseau cristallin parfait, regardons ce qui fait qu'il conduit le courant ou non : ce sont les électrons libres, i.e. les électrons n'étant pas liés aux atomes voisins. Ainsi, un réseau où tous les atomes sont liés à leurs voisins avec l'exact nombre d'électrons et il reste un seul électron excédentaire pour se balader aura une conduction assurée par un seul électron, autant dire rien du tout, alors qu'un cristal où chaque atome met à disposition un électron excédentaire poura assurer une conduction beaucoup plus facilement.
Et si on imaginait l'inverse, un réseau parfait mais il manque certains électrons pour créer toutes les liaisons entre les atomes ? Dans ce cas on a donc un trou dans le réseau. Si tous les électrons sont attirés vers la gauche, c'est donc relativement le trou qui se déplace vers la droite dans un substrat qui semble immobile. On a un manque d'électrons mais une conduction qui est la même qu'avec un surplus d'électrons.
Si maintenant on vient remplacer dans notre cristal certains atomes par des atomes de la colonne voisine du tableau périodique avec un électron de plus sur la couche de valance, bim, on vient d'injecter des électrons dans le cristal donc de la conductivité qu'on appelle dopage N. Et si on met des atomes avec un électron de moins sur la couche de valance ? On injecte des trous, c'est le dopage P. Si on vient coller une zone N a une zone P, on obtient un jonction PN aussi appelée diode. Étant donné que le niveau de Fermi est le même entre les zones mais le niveau d'énergie différent, les électrons ne peuvent passer que dans un sens. Il suffit de coller deux diodes tête bêche et on a un transistor.
Et techniquement, avec nos machines, comment on fait ça ?
D'abord on met de la résine photosensible sur le silicium qu'on vient irradier avec notre laser seulement aux endroits qu'on veut doper soit N soit P. Une fois irradiée, on passe la plaque dans des acides qui ne dissolvent que la résine irradiée pour créer un pochoir. De là, on passe à l'implant, on vient avec des gaz faire diffuser les atomes dopant dans le cristal. On repasse au lavage chimique et on retourne à la litho pour faire le pochoir des autres zones qui repasse par la chimie, qui repasse à l'implant. Une fois tout le substrat dopé, il faut créer les couches de métal qui feront le circuit électrique et ses connexions.
Entre temps on n'aura pas oublié de faire croître des oxydes de silicium là où on a besoin d'isolant.
Au total, entre le moment où un wafer vierge entre dans une salle blanche et le moment où il en sort, il se passe près de 3 mois alors qu'il subit un traitement 24h/24
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...et en faisant usage de la photolithographie -notamment la photolithographie aux ultraviolets extrêmes (EUV)- pour la production de puces neuromorphiques, on arrive à intégrer jusqu'à un million de neurones artificiels par puce.
Tout comme pour les processeurs classiques, la photolithographie permet également de construire des puces neuromorphiques en couches minces empilées, où les neurones et synapses artificielles sont alignés avec une précision d'ordre nanométrique.
Grâce à celà, les distances entre synapses et axones artificiels sont écourtées, réduisant donc la résistance électrique. Ceci se traduit par une consommation encore moindre d'énergie, ainsi qu'un traitement plus rapide des réseaux de neurone à impulsion.
Mais il est également possible de combiner la photolithographie avec des matériaux optiques ou à changement de phase, afin d'obtenir des puces neuromorphiques photoniques. Ce ne sont donc plus des électrons qui circulent dans la puce, mais des photons voyageant à la vitesse de la lumière. Ceci augmente considérablement la rapidité de traitement, avec un consommation d'électricité bien moindre. En effet, les photons ne génèrent pas de chaleur par frottement et il n'y a pas de phénomène de résistance électrique.
Les puces neuromorphiques sont des structures imitant tant le fonctionnement du cerveau humain, comme ses réseaux de neurones/synapses.
Elles sont différentes des ordinateurs à neurones organiques (appelés Wetware ou bio-ordinateurs), conjugant une puce à microélectrodes et des véritables neurones humains. Son avantage est sa consommation très réduite d'électricité (de l'ordre de quelques watts), face à des superstructures énergivores. Les inconvénients existent cependant: il faut les nourrir, les maintenir à une température constante, et elles ont une espérance de vie ne dépassant pas quelques mois.
Les 20 prochaines années les ordinateurs quantiques vont continuer de se développer et surpasser dans certains domaines bien spécifiques les super calculateurs.
Par contre le grand public continuera d’utiliser vraisemblablement des technologies basées sur l’électronique ou la photonique pendant plusieurs générations.
Il y a une vidéo youtube très intéressante sur le sujet du Youtuber Veritasium. C'est un doc de 55 minutes qui explique comment ça marche, avec visite chez le constructeur.
C'est probablement la machine commerciale (car elle est en vente) la plus avancée technologiquement faite par l'Homme.
Chaque gouttelette d'étain est frappée 2x par les lasers, une fois à basse intensité pour lui donner une forme de galette, et une fois à haute intensité pour la vaporiser. Ce qui m'impressionne le plus est qu'ils ne ratent jamais aucune gouttelette.
ça n'amuse sans doute que moi mais quand on pense que le premier ordinateur (l'ENIAC) de 30 tonnes réparti sur environ 170 m² soit la taille d'une très grande salle, conçu à la Moore School of Electrical Engineering.
en.wikipedia.org/wiki/Moore_School_of_Electrical_Engineering
Avec aujourd'hui une machine de la taille d'un bus qui fabrique des puces de quelques millimètres..
Ce qui est fou avec les machines de pointe ASML c'est que si vous avez 400 millions d'euros et deux trois ans à passer sur une liste d'attente vous pouvez tout à fait acheter une de leurs machines EUV. C'est sans doute la machine commercialement disponible la plus complexe que l'humanité ait jamais produite
Et c’est européen ! Quelle fierté
C'est pas faux.
pour le moment, on en est plutôt aux prototypes non opérationnels, alors "ils" vont effectivement continuer à se développer, jusqu'au jour ou l'un d'entre eux sera fonctionnel... le "grand public" se fiche du support des ses calculs, il veut juste quelque chose d'utilisable sans des équipes de plusieurs dizaines d'intervenants
Sur l aspect "machine de série" probablement que c'est parmi les plus complexes.
Après si on sort de l'aspect serie, là, il y a de la concurrence rien qu'en optique : laser megajoule ou le NIF, le JWST, Ligo et Vigo... Puis en dehors de l optique, on peut au moins citer le LHC avec ses détecteurs et bien d'autres.
Pour chaque cas (asml ou les machines de pointe que je cite) ce sont des objets qui demandent des développements jamais fait avant eux. Et c'est bien là toute la complexité. On peut faire toutes les simulations, faire une conception rigoureuse, on n'est jamais à l'abri d'un phénomène non anticipé et qui met tout par terre et dont on s'aperçoit que tardivement.
Je tiens à m'excuser par avance, mon commentaire risque de pas être des plus clairs par manque de temps mais je me devais de commenter cette anecdote étant donné qu'il s'agit exactement de mon boulot; je me rends régulièrement à ASML où ils fabriquent les machines EUV et le commentaire de notre cher Epoxy reprend exactement mon sujet de thèse.
Bref, on fait de la photolithographie au nanomètre, c'est bien, mais quelqu'un a compris à quoi ça sert ? Enfin je veux dire, comment on passe d'un rayon laser hyper fin à un réseau de transistors capable d'imiter un cerveau humain? Ça n'a rien d'évident cette histoire donc je vais essayer d'expliquer le plus simplement possible.
Tout d'abord il nous faut un substrat semi-conducteur. C'est quoi un semi-conducteur ? C'est un matériau qui est un peu isolant et un peu conducteur électrique à la fois, on ne sait pas trop; ça peut être du silicium, du germanium, de l'arseniure de gallium ou du carbure de silicium. Avec ce semi-conducteur, on vient créer un réseau cristallin parfait ( en général par le procédé de Czochralski ).
Maintenant qu'on a un réseau cristallin parfait, regardons ce qui fait qu'il conduit le courant ou non : ce sont les électrons libres, i.e. les électrons n'étant pas liés aux atomes voisins. Ainsi, un réseau où tous les atomes sont liés à leurs voisins avec l'exact nombre d'électrons et il reste un seul électron excédentaire pour se balader aura une conduction assurée par un seul électron, autant dire rien du tout, alors qu'un cristal où chaque atome met à disposition un électron excédentaire poura assurer une conduction beaucoup plus facilement.
Et si on imaginait l'inverse, un réseau parfait mais il manque certains électrons pour créer toutes les liaisons entre les atomes ? Dans ce cas on a donc un trou dans le réseau. Si tous les électrons sont attirés vers la gauche, c'est donc relativement le trou qui se déplace vers la droite dans un substrat qui semble immobile. On a un manque d'électrons mais une conduction qui est la même qu'avec un surplus d'électrons.
Si maintenant on vient remplacer dans notre cristal certains atomes par des atomes de la colonne voisine du tableau périodique avec un électron de plus sur la couche de valance, bim, on vient d'injecter des électrons dans le cristal donc de la conductivité qu'on appelle dopage N. Et si on met des atomes avec un électron de moins sur la couche de valance ? On injecte des trous, c'est le dopage P. Si on vient coller une zone N a une zone P, on obtient un jonction PN aussi appelée diode. Étant donné que le niveau de Fermi est le même entre les zones mais le niveau d'énergie différent, les électrons ne peuvent passer que dans un sens. Il suffit de coller deux diodes tête bêche et on a un transistor.
Et techniquement, avec nos machines, comment on fait ça ?
D'abord on met de la résine photosensible sur le silicium qu'on vient irradier avec notre laser seulement aux endroits qu'on veut doper soit N soit P. Une fois irradiée, on passe la plaque dans des acides qui ne dissolvent que la résine irradiée pour créer un pochoir. De là, on passe à l'implant, on vient avec des gaz faire diffuser les atomes dopant dans le cristal. On repasse au lavage chimique et on retourne à la litho pour faire le pochoir des autres zones qui repasse par la chimie, qui repasse à l'implant. Une fois tout le substrat dopé, il faut créer les couches de métal qui feront le circuit électrique et ses connexions.
Entre temps on n'aura pas oublié de faire croître des oxydes de silicium là où on a besoin d'isolant.
Au total, entre le moment où un wafer vierge entre dans une salle blanche et le moment où il en sort, il se passe près de 3 mois alors qu'il subit un traitement 24h/24
Trop cool qu’on ait qqn du métier dans la communauté !!
Quand tu dis wafer vierge, du coup quels sont les produits initial et final ?
Ils gravent quelle partie de la puce qu’on utilise dans nos téléphones et autres ? (Si c’est bien ça dont on parle)
De mémoire c’est à Taïwan qu’ils fabriquent les puces. Avec ces machines là ?
Merci par avance !!
Le principal fabricant mondial de machines pour graver les puces électroniques est l'entreprise néerlandaise ASML, qui détient un quasi-monopole sur les scanners de lithographie extrême ultraviolet (EUV) indispensables aux puces les plus avancées.
Et c'est 500 000 000 $ le bus lol
Ah oui, j'ai complètement oublié d'expliquer ce qu'est un wafer...
Revenons au début de notre histoire avec le gros bloc de silicium monocristallin; on vient découper ce pain de silicium en tranches avec une énorme scie circulaire diamantée un peu comme on couperait un saucisson. Ces tranches de silicium qui la plupart du temps font 300 mm de diamètre et 800 μm d'épaisseur (en fait il existe plein de tailles différentes mais celle ci est la plus répandue) sont ce qu'on appelle des wafers vierges; c'est dans cet état qu'ils arrivent en salle blanche. On applique ensuite tous les procédés expliqués plus haut et on obtient nos puces.
À ce stade là, chaque wafer est rempli de certaines de puces et elles ne sont connectées à rien. Il faut donc séparer les puces les unes des autres. Pour ça on reprend notre bonne vieille scie circulaire en diamant et on découpe le wafer. Une fois les puces découpées, il faut bien créer des connexions à cette puce et vu la taille de la puce, pas question de prendre son fer à souder et venir mettre des fils un par un. Du coup, ce sont d'autres machines qui viennent positionner de tout petits fils sur les pads de connexion et en les faisant vibrer par ultrasons viennent souder le fil d'un côté à la puce, de l'autre à la patte de connexion du boîtier.
Maintenant, ce que peut être cette puce est extrêmement varié ; ce peut être un processeur, de la mémoire, des capteurs, etc...
Pour ce qui est de savoir où on produit ces puces dans le monde, dire qu'on les produit à Taiwan est un peu vrai mais trompeur. Dans le semi-conducteur, on parle très souvent de taille de transistors (en réalité on parle de largeur de canal mais on va dire que c'est la même chose) et on décrit une technologie par le terme under x où x est la taille maximale garantie du transistor en nanomètre. Là où Taïwan produit la plupart des puces mondiales c'est seulement pour le under 4, i.e. des transistors de moins de 4 nanomètres (c'est vraiment petit... Pour de telles précisions, on n'installe pas les usines à moins de 50km d'une voie ferrée car un passage de train suffit pour tout dérégler).
En Europe on ne descend pas vraiment en dessous des 10 nanomètres, on retrouve quelques usines en under 14 mais celà ne veut absolument pas dire qu'on ne produit rien. Par exemple il y a une méga usine Intel en Irlande, un gros pôle de production à Dresde en Allemagne avec Bosch, Global Foundries, Infineon et TSMC (encore en construction celle là) et partagée entre la France et l'Italie : ST qui produit pas mal de petits processeurs photoniques comme décrit par Epoxy.
l'Europe dispose également de laboratoires à la pointe de la technologie avec l'Imec en Belgique (et bientôt aussi en Espagne) et le CEA Leti à Grenoble.
En dehors de l'Europe et Taïwan, il y a une assez grosse production en Chine, aux Etats Unis et à Singapour.
Bon, et dans tout ça, j'ai cité pas mal d'entreprises mais jamais ASML, tout simplement parce qu'ASML n'est pas un fondeur mais un équipementier. ASML fabrique des machines et les vend aux différentes entreprises citées plus haut. Et contrairement à ce que j'ai pu lire, non, ASML n'a pas de monopole; ils sont juste les seuls à permettre le under 4 mais sur les autres technologies la concurrence est rude; par exemple il y a Tokyo electron (TEL) qui est bien placé en lithographie mais la litho ne représente qu'une petite partie du process. Pour les autres étapes on retrouve des entreprises comme applied materials, Lam, Screen, KLA, etc...