Le docteur Belgacem Haba, inventeur dans la microélectronique, à IT Mag « La 3D est un moyen naturel de réduire le volume des systèmes »

Le futur de la microélectronique sera en 3D
La communication, Internet et les produits de divertissements vont continuer à dominer les marchés de grande consommation dans le monde entier, et chaque génération offrant des fonctionnalités et des capacités de plus en plus grandes. L’être humain a su créer des immeubles constitués de plusieurs appartements en hauteur, les composants électroniques commencent à titiller la valeur Z. L’intégration de nouvelles fonctionnalités, la demande « du plus en plus petit » font en sorte que la miniaturisation devient une nécessité.
Et même si les applications et les fonctionnalités du nouveau produit sont meilleures que le précédent, le client attend chaque génération à ce que ses produits deviennent de plus en plus petits et de plus en plus légers.
Et ce qui montre cela visiblement est le terminal mobile qui est un excellent exemple de comment les nouvelles technologies et les techniques peuvent être appliquées pour maintenir l’amélioration des performances au fil du temps. Cela avait commencé avec le micro-ordinateur où chaque composant était une carte électronique et maintenant, une carte mère est composée de l’ensemble des éléments pour un micro-ordinateur. Mais cela n’a pas été plus loin. L’explosion du marché du terminal mobile au cours des dernières années est une preuve de l’augmentation de la fonctionnalité et la complexité de la miniaturisation. Le terminal mobile ne sert plus uniquement à parler mais aussi à lire, voir où nous nous trouvons mais aussi filmer et pouvoir communiquer à travers le réseau des réseaux. Le tout dans un boîtier pas plus grand que le « vieux Nokia 3310 ». Par contre, cette révolution du terminal mobile a conduit à de sérieux problèmes, notamment thermiques, mécaniques et de blindage. Toutes les entreprises de conception de SoC -System on Chip- mais aussi de puces ont mis en place des équipes de R&D pour essayer de dépasser la loi de Moore.
« Quand j’habitais dans mon village natal, il n’y a avait que des petites maisons avec, au maximum, pour les plus riches, un étage ; et il a fallu aller à la ville pour voir ses immenses bâtiments qui pouvaient faire habiter plusieurs familles. Les gens de la ville utilisent la 3D pour habiter », nous avait dit Belgacem Haba lors de l’une de ses rencontres avec nous, tout en ajoutant : « Pourquoi ne pas utiliser les mêmes principes pour une puce. La 3D est un moyen naturel de réduire le volume des systèmes. » Cette discussion remonte à 2008. En 2012, on ne parle plus que de composants 3D essentiellement pour que la révolution du terminal portable continue. Nous avons contacté une nouvelle fois M. Belgacem Haba pour nous expliquer un peu la 3D dans l’électronique. Et voici ce qu’il nous a dit, quand bien même il était alité.  A.K
IT Mag : Monsieur Belgacem Haba, en tant que docteur mais aussi inventeur dans la microélectronique, pourriez-vous nous expliquer ce qu’est la 3D dans la microélectronique ?
Belgacem Haba : En effet, ces derniers temps, la 3D devient à la mode dans le secteur des semi-conducteurs. Toutefois, il est important de noter que depuis la naissance de l’électronique CMOS et l’utilisation des transistors, le processus a toujours été un processus bidimensionnel ou planaire. Et c’est de cette façon que nous l’avons toujours fait.  La loi de Moore est passée par là et conséquence immédiate : les composants sont de plus en plus petits et de plus en plus condensés, et les nœuds sont en diminution. L’industrie est passée du 90 nm (nanomètre) au 22 nm et on parle aujourd’hui de 11 nm en passant par 65 nm, 45 nm et 32 nm. Conséquence financière immédiate, ces fonctionnalités deviennent très petites rendant le matériel de lithographie et le processus de fabrication des CMOS très cher, ce qui fait que les fabs (unité de fabrication) passent aux milliards de dollars. En plus de cela, la quantité d’électrons qui peuvent être piégés dans la grille du transistor à 22 nm est de quelques centaines dans le cas de flash. Vous pouvez voir alors que l’électronique devient de plus en plus dure et difficile en même temps. Il faut donc trouver autre chose. Il n’y a pas longtemps, il était moins cher de faire de bits même si on devait diminuer les dimensions, mais plus maintenant avec du 22 nm. Maintenant, il nous semble que rester dans la 2D tout en rétrécissant la taille est un processus qui devient de plus en plus cher que partir vers la 3e dimension. Ce qui est normal pour l’humain qui voit et vis en 3D, de plus les ingénieurs dans l’industrie électronique ne sont pas différents des maçons quand il s’agit de la construction. Avant, toutes les maisons avaient un rez-de-chaussée et comme la densité de la population a augmenté, les maçons ont appris à construire en hauteur, d’abord avec un étage puis un second et ainsi de suite. Les maçons se sont appropriée la 3D et c’est ce que font à l’heure actuelle les ingénieurs dans le développement des composants électroniques.
L’ingénieur devient un maçon pour construire des puces de plus en plus petites mais tout aussi fonctionnelles. Comment cela peut-il être fait ?
Il y a  donc un apprentissage à faire car aujourd’hui, il y a 3 façons de faire de la 3D dans l’électronique. Le premier cas est entièrement fait d’empilement de puces, puis les relier. Le deuxième cas est entièrement fait d’empilage puis elles sont emballées et ensuite testées, et à la fin on les relie. Troisième cas, c’est la construction des transistors en 3D. Le troisième cas, c’est comme empiler les lits des enfants dans une pièce. Les cas 1 et 2 sont comme empiler un appartement sur l’autre. Pour la 3D, pour la puce et comme je l’ai mentionné précédemment, la taille de la grille de transistors devient si petite en 2D que la création de transistors en 3D serait virtuellement plus grand et ainsi avoir un meilleur contrôle sans oublier une meilleure visibilité de la tension.
Mais que fait-on de la loi de Moore ?
La loi de Moore stipule que le nombre de transistors par unité de surface allait doubler tous les 18 mois à 2 ans. Ceci est important car il permet d’acheter la même puce avec la même capacité à un prix moindre et c’est cela qui a fait l’explosion des gadgets et par là même de l’industrie de l’électronique. Cependant, le coût des processus de lithographie et d’équipements ainsi que les matériaux à faible « k » pour rendre les puces deviennent trop coûteuses. Un fabs de nos jours peut coûter très cher, voire des milliards de dollars sans oublier les personnes hautement qualifiées dont vous avez besoin pour faire tourner votre fabs. Malheureusement, cela créerait un grand fossé entre les pays nantis et les autres. L’autre problème est la chaleur générée par le grand nombre de transistors qui est en augmentation et peu de techniques sont utilisées aujourd’hui dans la division dans le cas des processus. De plus, les puces, qu’elles aient un petit nombre de transistors ou un grand nombre, doivent se parler et communiquer. Et cela est un grand problème. Les communications entre les processeurs deviennent un enjeu crucial. Revenons-en à la chaleur dégagée, certaines puces aujourd’hui deviennent tellement chaudes que l’enjeu majeur est de savoir comment leur fournir une puissance électrique et comment faire pour diminuer la chaleur. De nombreuses solutions ont été proposées parmi lesquelles un énorme dissipateur thermique que l’on voit sur certains systèmes. Dans d’autres cas, c’est un liquide de refroidissement qui passe à travers des canaux qui ont été forés dans le silicium lui-même pour fournir un refroidissement direct.  Dans d’autres cas où la densité de chaleur est extrême ou cela peut atteindre des kilowatts par puce, on utilise le refroidissement qui se fait directement par pulvérisation liquide de refroidissement à l’arrière de la puce. Et pour cette raison spécifique, ne vous attendez pas à voir les processeurs être empilés.
Mais pour la mémoire, elle ne chauffe pas ?
Dans le cas de la mémoire (flash, DRAM), l’histoire est différente. La chaleur est moindre surtout pour le flash et le besoin de plus grandes capacités est illimité. Alors l’empilage de mémoire surtout pour la mémoire DRAM est déjà sur le marché et vous pouvez les trouver dans tous les téléphones haut de gamme et tous les iPads. C’est la seule façon pour avoir de grandes mémoires et de grandes fonctionnalités dans un si petit espace et à petit prix.
Quelles sont les nouvelles technologies pour l’empilage de puces qui existent ?
L’empilage de la mémoire flash ou DRAM a été accompli par ce qu’on appelle l’empilage « Wirebond » où les puces sont amincies à 25 microns, puis reliées par un fil collé. Dans les laboratoires, on arrive à mettre une pile de 24 puces mais seulement un maximum de 16 puces empilées peuvent être trouvées sur le marché. Mais l’empilement le plus courant est de 2 ou 4 puces. Une nouvelle technologie est appelée TSV (par l’intermédiaire des vias de silicium), où les puces sont empilées et forées. Les trous ainsi obtenus permettent, quand les puces seront empilées, d’établir des connexions entre les transistors verticaux. Cette technique n’est pas encore sur le marché. Elle est uniquement dans les laboratoires mais cela rendra la technologie électronique un peu moins cher et la loi de Moore pourra continuer sauf que cette fois-ci, la densité de transistors par unité de surface aura une hauteur. Par contre, la chaleur va être un gros problème.
Le docteur Belgacem Haba en quelques mots…
Le docteur Belgacem Haba est chargé de superviser les activités de la prochaine génération de recherche et de développement (Tessera Fellow and CTO) pour la compagnie californienne Tessera Inc. Diplômé en physique de l’université de Bab Ezzouar, il quitte l’Algérie pour poursuivre ses études aux Etats-Unis en 1980. Dans ce pays, il obtient deux magisters en physique en plus d’un doctorat dans le domaine l’énergie solaire à Stanford University.  Ce qui ne l’a pas empêché de travailler au Watson Research Center à New York pour IBM TJ. Il revient en Algérie et il occupera, durant trois mois seulement, le poste d’enseignant à l’université de Biskra. Il sera contacté par le centre de recherche de la compagnie NEC, à Tokyo, au Japon avec lequel il travaillera pendant six ans dans le domaine des applications du laser en microélectronique. Il revient aux Etats-Unis et intègre la société Rambus. Il y participera dans la division développement à la mise au point des Playstation 2 et 3. En 2002, il se lance dans une entreprise spécialisée dans le domaine de la microélectronique : SilliconPipe dont il a été l’un des fondateurs. Il est aussi détenteur de plus de 130 brevets d’invention dans le domaine de la microélectronique.