Après la loi de Moore : architectures, puces et innovation

Un jour de printemps en 1965, une brève note d'un ingénieur de 36 ans a fixé le rythme de la technologie moderne. L'observation de Gordon Moore, selon laquelle le nombre de transistors doublerait environ tous les 18 à 24 mois pendant que les coûts baisseraient, est devenue moins une prédiction qu'une promesse. Pendant des décennies, ce tempo a alimenté une ère : des ordinateurs centraux de la taille d'une pièce ont fait place à des ordinateurs de poche disposant de plus de puissance de calcul que les engins qui ont d'abord atteint la Lune.

Les promesses, cependant, ont une date de péremption liée aux lois de la nature. La réduction des transistors a fait des merveilles jusqu'à ce que leurs dimensions se heurtent aux atomes. La règle de Dennard assurait autrefois de meilleures performances et une consommation réduite à mesure que les caractéristiques diminuaient, mais cette règle s'est effondrée bien avant que les puces n'atteignent des dimensions atomiques. Les gains qui semblaient inévitables ont commencé à ralentir, puis à s'arrêter.

Comment et pourquoi ce sprint s'est-il transformé en lenteur ? La physique, franche et inflexible. Une fois que les grilles des transistors ne mesurent plus que quelques nanomètres, littéralement une poignée d'atomes de silicium, les électrons cessent de se comporter comme de propres boules de billard. Ils se comportent comme des ondes. Ils traversent les barrières par effet tunnel. Un transistor censé être éteint peut laisser fuir du courant parce qu'un électron peut traverser ce qui était autrefois une barrière impénétrable. Les petites fuites s'accumulent. Des milliards d'interrupteurs qui fuient sur un seul die transforment un processeur ingénieux en un petit radiateur.

La chaleur a introduit une autre limite : le mur thermique. Les fréquences d'horloge sont passées de quelques gigahertz à des valeurs autrefois inimaginables, mais autour de 4 à 5 GHz les gains ont disparu. Augmenter la fréquence ne fait pas que calculer plus vite, cela chauffe la puce. Cela a mené au phénomène curieux et coûteux appelé silicium sombre, de vastes zones d'une puce qui doivent rester éteintes à tout moment pour éviter une surchauffe. Avoir plus de transistors ne signifiait plus davantage de performances utilisables.

Les ingénieurs ont refusé d'accepter la défaite. Ils ont remodelé les transistors en trois dimensions. En 2011, l'industrie a adopté les FinFET, une structure en nageoire qui permet à la grille de contrôler le canal de plusieurs côtés et de limiter les fuites. Les FinFET ont prolongé la feuille de route d'une décennie, permettant des nœuds à 7 nm et 5 nm. Mais à mesure que les nœuds approchaient 3 nm et en dessous, même les FinFET ont montré des limites. La réponse a été une prise plus serrée : les GAAFET, où la grille enserre totalement des nanorubans ou des feuillets nanométriques, bouchant toutes les voies d'échappement. Construire de telles sculptures à l'échelle atomique est l'un des grands exploits de l'ingénierie.

Cependant, la physique n'est qu'une moitié de l'histoire. L'économie a écrit l'autre chapitre. La photolithographie de pointe dépend désormais d'outils à ultraviolet extrême, des machines massives pratiquement impossibles à fabriquer sans un savoir-faire colossal. ASML, aux Pays-Bas, est le seul fournisseur de machines EUV capables d'imprimer des caractéristiques de classe 3 nm. Chaque unité se dresse comme un bus, contient plus de cent mille pièces et coûte de l'ordre de trois cents millions de dollars. Une fonderie moderne de pointe ? Prévoyez des prix de l'ordre de dizaines de milliards. Ces chiffres ont remodelé l'industrie : un paysage qui hébergeait autrefois des dizaines de fabricants de silicium s'est concentré en une poignée de géants.

Que se passe-t-il lorsque l'on ne peut plus simplement rendre les transistors toujours plus petits ? On change les règles. L'industrie passe de CPU monolithiques et universels à des systèmes hétérogènes et des architectures basées sur des chiplets. Plutôt que de forcer chaque fonction dans un seul die fabriqué sur le même nœud, les concepteurs assemblent de plus petites tuiles, les chiplets, qui peuvent être fabriquées selon des procédés différents puis intégrées via un packaging avancé. C'est pragmatique. C'est moins cher. C'est flexible.

Les accélérateurs spécialisés ont également gagné en importance. Les GPU, unités de traitement neuronal et puces spécifiques à un domaine comme les TPU de Google ou les siliciums série M d'Apple montrent que la densité brute de transistors n'est pas la seule voie vers la performance. Déléguez les calculs à du matériel conçu pour ces tâches et l'efficacité augmente fortement. La photonique, qui utilise la lumière plutôt que les électrons pour certains échanges et calculs, prend aussi de l'ampleur, promettant une consommation d'énergie moindre pour le déplacement des données. Et à la limite du possible, les ordinateurs quantiques proposent un modèle de calcul radicalement différent plutôt qu'une simple miniaturisation des modèles existants.

La loi de Moore n'est pas morte, elle a été réorientée vers des architectures plus intelligentes, de nouveaux matériaux et une réflexion au niveau système.

L'histoire des semi-conducteurs a évolué d'un indicateur unique, la densité de transistors, vers un portefeuille plus large de compromis : coût par fonction, énergie par opération et capacité à assembler des éléments hétérogènes en systèmes cohérents. L'avenir portera moins sur une réduction constante des dimensions et davantage sur une composition ingénieuse : chiplets et empilement 3D, liaisons photoniques, accélérateurs spécialisés et logiciels orchestrant efficacement des composants divers.

Les ingénieurs ne se rendent pas aux limites quantiques. Ils redessinent le champ de bataille. Quand une porte de la physique se ferme, ils enfoncent le mur pour y ouvrir une fenêtre. La prochaine décennie ressemblera à la précédente de manière différente, mais elle ne sera pas moins inventive, et peut-être plus intéressante.