De plus en plus de processeurs sont fabriqués en empilant des puces (par exemple, des cœurs de calcul et de la mémoire). La communication entre ces puces se fait à l’aide de “trous” et de fils micrométriques (TSV, through-silicon vias), de telle sorte que le signal ne doive pas parcourir une grande distance pour aller d’une puce à l’autre. Ainsi, on peut espérer gagner en temps de transmission, en énergie, voire en espace… mais pas vraiment en puissance de calcul.Et si ces interconnexions pouvaient réaliser des calculs ?
C’est l’idée que l’université technique de Dresde a poursuivie : réaliser des transistors au niveau de ces interconnexions. En général, l’interconnexion est réalisée au niveau d’un interposeur : une plaque de semi-conducteur à travers laquelle on réalise des trous, dans lesquels on coule du cuivre pour laisser le courant électrique passer. Cependant, puisqu’il s’agit d’un semi-conducteur, on pourrait imaginer l’utiliser pour d’autres choses, comme réaliser des transistors.
L’équipe de Dresde a réussi à créer des transistors de type FET (transistor à effet de champ) à cet endroit. Un tel transistor est constitué de quatre parties : une source et un drain, un canal conduisant les électrons de la source vers le drain, ainsi qu’une porte. Cette dernière est à proximité du canal, mais en est isolée électriquement. Selon la tension que l’on applique entre la source et la porte, on peut contrôler le courant qui traverse le canal.
Un TSVFET (transistor à effet de champ dans une interconnexion, through-silicon via field-effect transistor) implémente cette idée au niveau de l’interconnexion : le drain et la source se situent de part et d’autre du trou, ce dernier correspondant au canal. Ainsi, on peut espérer laisser passer ou, au contraire, empêcher le courant de s’écouler dans l’interconnexion, avec une très fine granularité. L’implémentation actuelle n’est pas très précise pour les normes habituelles de l’industrie : on parle d’un trou de vingt microns de large et de deux cents microns de profondeur. Tout comme dans un processeur, on peut alors assembler ces TSVFET pour réaliser des fonctionnalités plus intéressantes, comme une inversion de signal ou une cellule de mémoire SRAM.
L’utilité principale d’un tel système ne serait cependant pas tellement de réaliser des calculs, mais bien de protéger la propriété intellectuelle des concepteurs de processeurs. En effet, ces dernières, à de rares exceptions près, ne fabriquent jamais leurs processeurs eux-mêmes : ils délèguent cette tâche à des entreprises comme TSMC ou Samsung. Pour qu’elles puissent produire, ces sociétés ont besoin des plans de fabrication des processeurs — de là, elles pourraient décider de continuer la production et de l’écouler sans l’accord du concepteur du processeur.
Puisqu’une puce complexe est parfois constituée de dizaines de telles couches, on pourrait envisager de diviser la tâche de production entre deux entreprises : l’une se chargerait du dessus, l’autre du dessous. Cependant, une telle astuce est compliquée à mettre en œuvre, puisque toutes les couches sont souvent réalisées simultanément. Avec les TSVFET, il suffirait que l’interposeur et les couches soient fabriqués par deux sociétés différentes (ce qui est déjà régulièrement le cas) : il serait extrêmement difficile de deviner l’entièreté du processeur à l’aide d’un seul de ces deux éléments.
Source et images : Through-Silicon Transistors Could Make Stacking Chips Smarter.