L'inventeur maître d'IBM Lukas Czornomaz : du constructeur de circuits à 8 ans au pionnier de la technologie CMOS hybride

La Journée nationale des inventeurs honore la brillance des inventeurs du monde entier. À IBM Research Zurich, nous avons rencontré le Maître Inventeur Lukas Czornomaz pour discuter de sa carrière et des brevets qui définissent son impact.

Lukas Czornomaz et Veeresh Deshpande remportent le Best Student Paper Award du Symposium IEEE 2016 sur la technologie VLSI

Lukas Czornomaz se spécialise dans la technologie des semi-conducteurs et dirige des projets de recherche en CMOS avancé, photonique et RF/ondes millimétriques pour l'Internet des objets. Il a récemment obtenu le Best Student Paper Award au Symposium IEEE 2016 sur la technologie VLSI et le prix 2017 Compound Semiconductor Industry Innovation Award pour les premiers circuits InGaAs/SiGe CMOS sur substrats silicium utilisant des procédés sur wafers 300 mm compatibles avec la fabrication à haut volume. Son portefeuille comprend maintenant jusqu'à 35 brevets dans le CMOS, la photonique, les mémoires non volatiles, le calcul neuromorphique et les capteurs.

Pourriez-vous donner une explication simple de la technologie que vous développez ?

Lukas Czornomaz (LC) : Je travaille sur les CPU — les unités centrales de traitement qui agissent comme le cerveau d'un ordinateur. Les CPU comprennent des milliards de transistors qui s'allument et s'éteignent, et leur performance dépend du nombre et de la vitesse de ces commutateurs. L'efficacité énergétique est tout aussi critique ; une puissance excessive peut endommager la puce.

En ce qui concerne la taille, des transistors plus petits performent-ils mieux ?

LC : Pendant des décennies, réduire les transistors était la voie principale vers des CPU plus rapides, plus denses et plus économes en énergie. Cependant, la mise à l'échelle du silicium a atteint des limites fondamentales : des transistors plus petits ne garantissent plus une commutation plus rapide ou une meilleure efficacité énergétique sans compromis. Nous devons maintenant repenser comment nous obtenons des gains de performance.

Votre travail vise à s'éloigner du silicium pur pour résoudre le problème de mise à l'échelle.

LC : Exactement. Notre équipe explore les semi-conducteurs III-V — éléments des colonnes III et V du tableau périodique. Ces matériaux offrent une mobilité de porteurs de charge supérieure, permettant aux électrons de voyager à des vitesses bien plus élevées que dans le silicium. Cela peut diviser la tension de fonctionnement par deux, réduisant la consommation d'énergie d'un facteur quatre tout en maintenant la performance.

Qu'avez-vous découvert jusqu'à présent ?

LC : Sur cinq ans, nous avons démontré que l'intégration hybride InGaAs/SiGe est une voie viable pour améliorer le ratio puissance-performance au-delà du nœud 7 nm. Nous avons combiné la croissance sélective d'InGaAs de haute qualité sur silicium, la fabrication de FinFETs InGaAs et SiGe, et le traitement de cellules SRAM 6T fonctionnelles — le tout sur une seule plateforme.

Mais qu'est-ce que cela signifie concrètement ? Y a-t-il de réels avantages à cette technologie hybride ?

LC : Nous anticipons au moins 25 % de gain de performance à même puissance, ou 50 % de réduction de puissance à même performance. En termes pratiques, cela pourrait doubler l'autonomie de la batterie pour les appareils mobiles et débloquer de nouvelles possibilités pour le CMOS avancé dans l'IoT, la RF et la photonique intégrée.

Combien de brevets sont issus de ce projet de recherche ? Y en a-t-il un qui se démarque ?

LC : Environ 15 brevets ont été accordés pendant le projet. Le plus significatif est le US 9,640,394, qui protège notre méthode d'intégration par épitaxie sélective utilisant des cavités d'oxyde vides — un véritable changement de paradigme pour la co-intégration de semi-conducteurs disparates sur silicium.

Quelle est la suite ?

LC : Bien que nous ayons prouvé l'évolutivité de la solution hybride, nous devons nous assurer que les matériaux composés maintiennent leur qualité en production de masse. Les travaux futurs se concentreront sur la fabricabilité de la technologie et l'exploration de dispositifs de communication RF et photoniques intégrés pour l'IoT.

Dites-nous quelque chose sur vous que très peu de gens savent.

(LC) : J'ai construit mon premier circuit électronique à huit ans, et après 20 ans j'ai conçu un circuit intégré sur silicium depuis le début en utilisant la technologie la plus avancée disponible.

Lukas Czornomaz et deux autres Maîtres Inventeurs d'IBM discutent de la signification du rôle :