Raccourcir les distances pour augmenter la puissance de calcul. Plus le chemin d’une information sur un circuit est long, plus son temps de trajet sera élevé et plus elle générera de chaleur. Empiler des composants dont les épaisseurs caractéristiques vont de la dizaine de nanomètres à la centaine de micromètres, plutôt que de les poser côte à côte à des distances millimétriques ou centimétriques, représente donc une voie de choix pour accélérer les calculs. Reste à parvenir à interconnecter des éléments hétérogènes, notamment en matière de finesse de gravure.
L’interposeur est la solution intermédiaire trouvée pour les microprocesseurs. Dit de 2,5D, il se présente sous la forme d’une couche d’interface qui va connecter plusieurs éléments entre eux, par exemple un processeur avec des puces mémoire. Les composants sont répartis de façon planaire au-dessus de l’interposeur et connectés par une technique de puce retournée classique, avec des billes métalliques. Au cœur de l’interposeur, un réseau de circuits relie directement entre eux ces composants, avant de tout connecter au circuit du substrat. « Cela fait circuler des informations entre les composants beaucoup plus rapidement que s’ils étaient connectés par le substrat », souligne Émilie Jolivet, la dirigeante de la division semiconductor, memory and computing de Yole Développement.
Empilement interne
Les mémoires empilées utilisent pour leur part une interconnexion par vias traversants, ou Through silicon vias (TSV), sortes de clous de cuivre transperçant les plaques de silicium. Les mémoires de ce type déjà industrialisées comptent plus d’une dizaine de couches de puces. L’empilement augmente la mémoire disponible et réduit la latence, permettant ainsi d’effectuer plus de calculs en parallèle, plus vite. Plusieurs architectures concurrentes se partagent le marché, mais la plus déployée dans le calcul haute performance est la mémoire à large bande passante. Les mémoires flash, qui stockent durablement l’information, ont également eu une poussée de croissance vers le haut. Cependant, elles l’ont fait en mobilisant une technologie dite de 3D monolithique : ce sont des couches de transistors qui sont empilées au sein même des puces.
Les recherches pour améliorer la puissance de calcul en utilisant l’axe vertical ne s’arrêtent pas là. En 2019, le CEA a conçu Intact, le premier interposeur pouvant être qualifié de 3D. « Nous avons réussi à mettre au point la preuve de concept de ce que l’on appelle un interposeur actif », s’enthousiasme Pascal Vivet, le directeur scientifique du CEA-Leti. L’interposeur connecte six micropuces empilées qui fournissent les capacités de mémoire et de calcul. Mais le plus intéressant est ce qui se passe au cœur même de l’interposeur : au sein des circuits d’interconnexion se glissent plusieurs composants, comme un régulateur de tension ou un contrôleur mémoire, qui sont rapprochés les uns des autres et donc beaucoup plus rapidement sollicités. Si Intact n’est qu’un prototype, des projets de processeurs à l’architecture similaire ont été annoncés à un stade commercial. La technologie Foveros d’Intel est ainsi prévue pour 2023.
