Processeurs : avec sa gravure « 18A-P », Intel rivalise enfin avec TSMC

L’innovation est davantage dans la complexité des transistors que dans la finesse

Selon les informations partagées par Intel, le bénéfice apporté par la gravure 18A réside dans la capacité à rapprocher davantage les différents éléments qui constituent un transistor : les canaux qui font passer le courant, les électrodes (les « gates ») qui les entourent et les points de contact.

Ce meilleur alignement réduirait la quantité de matière susceptible de générer de la résistance électrique. Il permettrait aussi à Intel de proposer davantage de designs de transistors. En 18A, il y a deux designs de transistors pour les cœurs performants et trois pour les cœurs économiques. En 18A-P, il y a désormais quatre designs de transistors pour les cœurs performants et cinq pour les cœurs économiques.,

Pour mémoire, 18A signifie 1,8 nm (nanomètre), soit la taille supposée du plus petit dessin qu’Intel parvient désormais à graver sur un wafer de silicium. Cela ne correspond plus à un transistor entier (plus petit élément d’un circuit électronique), comme cela était autrefois le cas. 1,8 nm est la taille de chaque élément constituant la structure aujourd’hui excessivement complexe d’un transistor. Et l’innovation d’Intel réside davantage dans la complexité de cette structure que dans la finesse atteinte.

La première caractéristique de cette structure est que le courant électrique et le signal qui indique dans quelle direction renvoyer ce courant passent désormais chacun par un chemin différent. Le courant (+ et -) circule sous le transistor et le signal qui le dirige arrive par le dessus. Traditionnellement, tous ces signaux se croisaient au-dessus du transistor, ce qui créait, à force de miniaturisation, un foyer toujours plus important de résistance électrique au-dessus des transistors et, donc, davantage de déperdition de l’énergie en chaleur.

Cette invention, nommée PowerVia, contribue à économiser de l’énergie et à produire moins de chaleur. Elle a de surcroît l’avantage de réduire les interférences, ce qui maintient un voltage plus stable dans le circuit, lequel devient plus fiable.

TSMC travaille sur un design similaire, nommé BSPDN, qui devrait arriver en 2027 avec la prochaine génération de processeurs gravés avec une finesse de 2nm dans ses usines.

La seconde caractéristique concerne l’interaction au sein du transistor entre le courant qui arrive et l’électrode (la « gate ») qui le laisse partir plus loin ou lui barre le chemin, selon qu’elle est elle-même alimentée en courant.

Initialement, dans les premiers processeurs, le courant passait par un canal plat, soit une route dessinée dans le silicium. La gate était simplement une porte posée dessus et l’interaction se faisait lorsque la gate, alimentée, générait un champ électrique. Ce procédé, appelé MOSFET (pour Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor), générait beaucoup de déperditions. Il a été remplacé il y a une quinzaine d’années par un autre, le FinFET, dans lequel le canal est en relief, un peu comme un train, tandis que la gate prend la forme d’une arche.

Avec la gravure 18A, Intel a encore amélioré le procédé. Désormais, le canal n’est même plus posé sur le silicium, il est intégralement entouré par la gate qui s’apparente dès lors à un anneau. Ce procédé, appelé RibbonFET Gate-All-Around, a ceci d’important que les transistors ont désormais plusieurs canaux parallèles pour faire circuler le courant.

Le nombre de ces canaux permet de moduler la tension du courant dans le transistor, ce qui est lié à la faculté des cœurs de processeurs de pouvoir moduler leur vitesse, pour soit économiser de l’énergie, soit calculer plus vite.

C’est aussi parce que ces canaux sont multiples - depuis les transistors FinFET en réalité - qu’il y a de moins en moins de correspondance entre la finesse de gravure atteinte et la taille des transistors. D’autant que, depuis plusieurs générations, la surface réduite par une meilleure finesse de gravure se traduit par des transistors de plus en plus allongés verticalement. En gravure 18A et 18A-P, les transistors des cœurs performants ont une hauteur de 180 nm et ceux des cœurs économiques atteignent 160 nm de hauteur. La largeur d’un transistor est de 50 nm. La distance minimale entre deux transistors est de 32 nm.

Intel face à TSMC

Comparativement, les puces de pointe qui sortent actuellement des usines TSMC (processeur Apple M5, GPU Nvidia Rubin, processeur AMD Epyc 9006...) sont gravées avec une finesse de 3 nm. Leurs transistors mesurent soit 48 nm de large sur 169 nm de haut (puissants), soit 54nm de large sur 143 nm de haut (économiques). En 2027, TSMC passera à la gravure avec une finesse de 2 nm. À ce moment, les transistors auront une largeur de 48 nm et une hauteur de soit 156 nm, soit 130 nm.

Il existe un autre acteur sur ce marché qui entend faire parler de lui : le chinois SMIC. Privé par les Américains d’accéder aux mêmes équipements de lithographie ASML EUV que TSMC et Intel, il grave pour l’heure les processeurs de Huawei avec une finesse de 7 nm, mais réussit tout de même la prouesse de n’éloigner leurs transistors que de 32,5 nm. Huawei prétend de son côté avoir mis au point un nouveau design de processeur qui lui permettrait de mettre dans ses serveurs des puces plus performantes que celles des Occidentaux, malgré une finesse de gravure bien moindre.

Au-delà de la finesse de gravure, Intel Foundry dispose aussi d’un autre atout pour séduire les clients de TSMC : le socle EMIB qu’il fabrique pour interconnecter les circuits entre eux dans une même puce. Il tombe à point nommé pour remplacer le socle CoWoS que TSMC ne pourrait plus produire en quantité suffisante dès l’année prochaine.

Ainsi, selon le média The Information, Nvidia évaluerait en ce moment l’opportunité d’assembler sur l’EMIB les quatre circuits de calcul de son futur GPU Feynman (prévu en 2028). Il entraînerait dans son sillage le fabricant de mémoire SK Hynix qui travaillerait déjà à valider la compatibilité de sa mémoire HBM avec le socle d’Intel. Par effet boule de neige, cette validation pourrait inciter tous les clients de SK Hynix à choisir Intel, notamment les hyperscalers AWS et Google Cloud qui utilisent sa mémoire HBM dans les accélérateurs qu’ils conçoivent eux-mêmes.

Le socle EMIB et la gravure en 18A sont deux produits distincts d’Intel Foundry. Mais leur même situation géographique sur le sol américain pourrait inciter les concepteurs de puces à faire fabriquer leurs circuits à l’endroit où ils seront ensuite assemblés.