Développement de modèles pour l'évaluation des performances ...

INTRODUCTION GENERALE
tel-00820068, version 1 - 3 May 2013
Le transistor à effet de champ MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor) est le produit
manufacturé le plus vendu sur le marché international. Il constitue l’élément central des circuits intégrés conçus à
partir des technologies CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) et on dénombre aujourd’hui plus
d’un milliard de transistors sur une même puce. Pour parvenir à cette prouesse technologique, l’industrie de la
microélectronique vit au rythme effréné dicté par la loi empirique énoncée par Gordon Moore, co-fondateur
d’Intel, en 1965. Celui-ci indiquait que la complexité des semiconducteurs devait doubler tous les ans à coût
constant. Après la commercialisation du premier microprocesseur en 1971 par Intel (Intel 4004), qui comptait
2300 transistors sur une surface de 10mm² et une puissance de calcul équivalente au 30 tonnes et 167m² de
l’ENIAC (Electronic Numerical Integrator Analyser and Computer, premier ordinateur entièrement électronique
conçu en 1946), Moore réévalua sa prédiction. En 1975, il énonça que le nombre de transistors contenu sur une
puce doit doubler tous les deux ans. Depuis maintenant presque quarante ans, l’industrie de la microélectronique
s’est fixée comme leitmotiv de suivre cette loi et la densité d’intégration est passée de 230 transistors par mm²
en 1971 à pratiquement 9 millions de transistors par mm² en 2012, soit pratiquement un facteur 40000 en 40 ans.
La miniaturisation des transistors permet d’abord de réduire leur coût de production mais permet aussi un gain
en performance [Dennard 74]. Associée à une réduction de tension d’alimentation la consommation est
également abaissée. Ceci est resté vrai jusqu’au nœud 90nm, soit jusqu’au début des années 2000. En effet, après
le passage de la barrière des 100nm de la longueur de grille minimale d’une technologie, les effets parasites liés à
la miniaturisation sont devenus non négligeables et sont désormais un frein à la performance. Il s’agit
principalement de l’effet canal court, des fuites de grille, de la dégradation du transport, des capacités parasites
et des effets quantiques. Des solutions technologiques, telles que, par exemple, l’intégration d’empilement grille
métallique/diélectrique haute permittivité et l’application de contraintes mécaniques, sont alors apportées afin
de réduire l’impact de ces effets parasites sur le comportement électrique du transistor. Celles-ci vont cependant
se révéler insuffisantes à partir des nœuds 28nm et 20nm. Ces derniers voient l’introduction de nouvelles
architectures qui vont permettre de poursuivre la miniaturisation du transistor MOSFET, la croissance de sa
densité d’intégration et finalement la loi de Moore.
Prenons maintenant un peu de hauteur et considérons le système, c’est-à-dire le circuit intégré, dans sa globalité.
Au début des années 2000 est apparue une distinction entre deux types d’application:
Les applications haute performance, recherchant une vitesse maximale sans (trop) tenir compte de la
consommation (car celles-ci fonctionnent en étant branchées au réseau électrique et sont équipées de
système d’évacuation de la chaleur). L’exemple représentatif de ce type d’application est le
microprocesseur d’un ordinateur.
Les applications basse consommation, recherchant une bonne autonomie, au détriment de la
performance pure car fonctionnant sur batterie. Citons pour exemple le téléphone portable.
Ces considérations ne sont aujourd’hui plus valables. Concernant les applications haute performance, on observe
à compter de 2002 une stagnation des fréquences d’horloge. En effet, le niveau de puissance dissipée, tant
dynamique que statique, atteint est tel que les boitiers ne peuvent plus évacuer suffisamment de chaleur et sont
alors devenus limitants pour la performance. La consommation doit donc être considérée en tant que telle et
devient une contrainte, même pour ce type d’application. Néanmoins, l’introduction des architectures multi-cœur
en 2005 a permis de s’affranchir de cette limitation et de proposer des microprocesseurs toujours plus
performants. Concentrons-nous maintenant sur les applications basse consommation et regardons le
développement du marché du téléphone portable sur la dernière décennie mais également l’évolution de son
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