Un an après le lancement de « son » programme et équipements prioritaires de recherche (PEPR) à Poitiers, la communauté scientifique de l’électronique s’est retrouvée du 18 au 22 mars - cette fois à Grenoble – pour ses premières journées scientifiques. L’évènement était commun au PEPR Réseaux du futur, inauguré en juillet dernier : les composants innovants conçus dans le cadre du PEPR Electronique innerveront les systèmes télécoms de prochaine génération, ainsi que l’IA, le cloud, etc.
Ce rassemblement a été l’occasion d’un bilan d’étape. Le premier résultat, c’est que « les chercheurs sont enthousiasmés par la structuration induite par le PEPR Electronique, souligne Isabelle Sagnes, directrice de recherche CNRS et coordinatrice de ce programme, avec Thomas Ernst du CEA. Le CNRS et les universités, en amont, se sont rapprochés des laboratoires du CEA-Leti, en aval. Les filières technologiques doivent maintenant être consolidées dans le temps, quitte à créer un nouveau programme. »
Trois grandes thématiques ont été abordées à Grenoble : l’IA embarquée, l’IoT et la montée en fréquence. Elles ont donné lieu à la présentation de premiers résultats scientifiques d’importance, dont voici trois illustrations.
Réseau de neurones autoalimenté et apprentissage continu en perspective
Une électronique bio-inspirée s’entremêlant avec la photonique, qui hébergerait une IA à la périphérie (edge) en consommant 1000 fois moins d’énergie : c’est l’ambition du projet BEP (pour BioElectroPhoton), copiloté par Damien Querlioz, directeur de recherche CNRS au Centre de nanosciences et de nanotechnologies, Daniel Brunner, chercheur CNRS à l’Institut Femto-ST et Elisa Vianello, directrice du programme IA embarquée au CEA-Leti.
Première avancée : la fabrication d’un circuit intégrant des mémoires résistives (ou memristors, ici très proches des unités de calcul) et exécutant un réseau de neurones binaires (ce qui réduit l’empreinte du réseau de neurones). Le tout est auto-alimenté par des cellules photovoltaïques spécifiques à base de semi-conducteurs III-V, conçues par l’Institut photovoltaïque d’Île-de-France (IPVF) pour fonctionner en intérieur.
« Quand on réduit l’alimentation électrique d’un circuit numérique d'IA classique, le circuit ne fonctionne plus, fait remarquer Damien Querlioz. Quand il s’agit de classifier des images, notre circuit, lui, continue de fonctionner approximativement, même sous une faible illumination. Il commet des erreurs uniquement dans les situations les plus difficiles. » Un résultat qui a été publié dans Nature Communications en janvier dernier.
Le projet BEP implique aussi la mise en oeuvre de guides d’ondes 3D, reproduisant les interconnexions très denses des neurones du cerveau humain. « On a fait de gros progrès sur ce point, se réjouit Damien Querlioz, et l’objectif maintenant est d’hybrider ces guides d’ondes et une puce électronique CMOS (procédé standard de la microélectronique, ndlr) équipée de memristors. Le support CMOS est en cours de fabrication. A terme, on aura des réseaux de neurone qui bénéficient à la fois des qualités du calcul photonique et du calcul électronique. »
Le troisième aspect du projet BEP concerne la mise au point de mémoires imitant les synapses, capables d’apprendre en continu en interne sur la puce, quand l’environnement ou l’application change. « Les mémoires résistives ne sont pas très adaptées, car elles sont coûteuses et longues à programmer, explique Damien Querlioz. L’équipe du CEA-Leti a montré qu’on pouvait empiler deux nanomatériaux différents dans un même circuit : des memristors pour la mémoire à long terme, et des mémoires ferroélectriques (FeRam), reprogrammables pour la mémoire à court terme. » Ce qui a fait l’objet d’une présentation en décembre dernier à l’IEDM, l’un des grands rendez-vous de la communauté des chercheurs en microélectronique.
Des micro-capteurs plus robustes et plus sensibles en température
Le projet Resiste vise à développer une filière nationale de fabrication de capteurs micro-électromécaniques (ou MEMS) assez robustes pour fonctionner dans les conditions les plus sévères. « Il s’agit de mesurer la vitesse des écoulements dans les moteurs d’avion, des accélérations de 100 000 à 200 000 g ou encore de détecter des dégagements d’hydrogène en milieu radioactif », énumère Nicolas Tiercelin, directeur de recherche CNRS à l’Institut d’électronique, de microélectronique et de nanotechnologie (IEMN), qui porte ce projet en compagnie de Sophie Giroud du CEA-Leti.
Le silicium laisse la place au carbure de silicium (SiC) ou au diamant, plus résistants. Concernant l’anémométrie, le SiC a été choisi car il ne « brûle » pas en présence d’oxygène, contrairement au diamant. Les premiers prototypes ont été fabriqués fin 2023, par dépôt de couche mince sur un wafer en silicium. Un signe que « le procédé, qui existe ailleurs dans le monde, est désormais opérationnel aussi en France », souligne Nicolas Tiercelin.
IEMN Vu au microscope, le fil chaud d'un MEMS en carbure de silicium, sur substrat de silicium. Cette structure ne mesure qu'une centaine de micromètres de long.
Ces capteurs opèrent selon le principe classique du « fil chaud », qui se refroidit au contact de l’écoulement du fluide : la variation induite de la résistance électrique permet de déduire la température puis la vitesse de l’écoulement. Selon Sylvain Kern, doctorant à l’IEMN, « la sensibilité en température de ces capteurs en SiC est très encourageante ». Reste à la quantifier et mieux interpréter la courbe reliant température et résistance électrique.
Autre nœud technologique qui a été franchi : des micro-accéléromètres en SiC, plus robuste que les métaux d’un point de vue mécanique, dont le fil chaud miniaturisé – moins de 500 nanomètres – permet de mesurer de très brèves accélérations. Un cas d’usage typique serait de pouvoir mesurer les vibrations des trépans employés pour le forage.
Le térabit par seconde dans la gamme térahertz
Un débit supérieur au térabit/seconde, transmis en gamme térahertz – ce qui correspond par convention à plusieurs centaines de gigahertz (GHz) : le premier résultat du projet ciblé Fun-Tera, une première selon ses auteurs, pourrait contribuer au futur des télécommunications hertziennes.
« Pour obtenir ce débit, nous avons agrégé 14 fréquences porteuses (de l’information encodée, ndlr) entre 500 et 724 GHz, explique Guillaume Ducournau, professeur à l’université de Lille (laboratoire IEMN-CNRS) et coordinateur du projet Fun-Tera. A titre de comparaison, les fréquences des systèmes télécoms commerciaux se situent entre 71 et 86 GHz pour le réseau cœur sans fil (backhaul) interconnectant les antennes, lequel restera en partie hertzien. » A l’avenir, ces antennes pourraient ainsi desservir 1000 terminaux à 1 gigabit/seconde dans les zones les plus denses.
L’équipe du projet Fun-Tera, parmi les approches étudiées, a opté ici pour une technique de conversion, appelée photo-mélange, pour générer le signal térahertz : un photodétecteur peut émettre en sortie un signal dont la fréquence correspond à la différence de fréquence entre deux signaux optiques reçus en entrée. « En décalant les longueurs d’onde de 4,8 nanomètres autour de 1,55 micromètres, longueur d’onde standard dans les télécoms, on produit une fréquence de 600 GHz », précise Guillaume Ducournau.
IEMN Au premier plan, la photodiode qui reçoit les deux signaux optiques et émet le signal térahertz. Au second plan, tous les composants électroniques dédiés à la réception. Dans cette expérimentation, émetteur et récepteur étaient en contact direct.
Si le principe n’est pas nouveau en soi, les chercheurs ont conjugué plusieurs avancées récentes. « Le photo-mélangeur possède une large bande et a été combiné à un récepteur térahertz électronique dans cette démonstration réalisée avec nos collègues du Japon », détaille Guillaume Ducournau.
Le projet connexe T-Rex-6G a pour but le développement de transistors capables d’amplifier ces signaux de fréquence térahertz. « Ceci est essentiel, car plus la fréquence monte, plus la puissance disponible baisse et plus la portée se réduit, bien que la bande passante progresse en contrepartie », indique Guillaume Ducournau. Qui rappelle, pour donner une idée du calendrier, que la bande à 150 GHz est attendue commercialement vers 2030, et la bande à 300 GHz vers 2035, ce qui requiert ces circuits d’amplification.
