Transport et dissipation de l’énergie dans les dispositifs nanométriques
Comprendre le transport et la dissipation de l’énergie dans les structures nanométriques est d’une grande importance pour la conception des circuits à haut rendement énergétique et des systèmes de conversion d’énergie. C’est aussi un domaine riche en découvertes fondamentales à l’intersection des interactions entre électrons, réseau (phonons) et optique (photons). Un article de synthèse publié dans NanoResearch présente les progrès récents dans la compréhension et la manipulation du transport et de la dissipation d’énergie à l’échelle nanométrique pour les structures à l’état solide.
Certains des plus grands défis de la société moderne sont liés à la consommation d’énergie, sa dissipation ainsi que son gaspillage. Parmi ces défis, les technologies actuelles et futures basées sur les nanomatériaux et les dispositifs à l’échelle nanométriques ont un grand potentiel pour améliorer la conservation de l’énergie, sa conversion ou sa récolte. Un exemple bien connu est celui de l’électronique intégrée, où les questions de dissipation de puissance posent depuis tout récemment un défi de taille. La dissipation de puissance limite les performances de l’électronique, du dispositif de poche (~ 10-3 W) jusqu’aux centres de données massifs (~ 109 W).
Fait important, les chiffres de consommation d’énergie pour les centres de données ont doublé au cours des cinq dernières années, avec la chaleur résiduelle nécessitant maintenant des solutions de refroidissement drastiques. Ces défis sont aussi évidents au niveau du micro-processeur (CPU), alors que la course à l’augmentation de leur fréquence de fonctionnement au-delà de quelques GHz a récemment été arrêtée. Une barrière a été atteinte lorsque la puissance dissipée typique a atteint 100 W/cm² (voir figure ci-dessous). Ces défis en électronique de puissance et en gestion d’enveloppe thermique ont des effets négatifs dans des domaines allant des serveurs de bases de données massifs jusqu’aux nouvelles applications telles que les périphériques portables et l’instrumentation médicale. Dans ces dernières situations énumérées, il existe un compromis entre les fonctionnalités disponibles et la nécessité de transporter des batteries lourdes pour l’alimentation en énergie des dispositifs électroniques.
Malgré d’énormes progrès au cours des trois dernières décennies, les transistors en silicium modernes sont encore plus de trois ordres de grandeur (> 1000 ×) plus inefficace énergiquement que les limites physiques fondamentales. Ces limites ont été estimées à quelque 3kBT ≈ 10-20 J à température ambiante pour un commutateur binaire opérant avec un seul électron et une barrière d’énergie de kBT, où kB est la constante de Boltzmann et T la température absolue. In the average modern microprocessor, the dissipated power is due, in approximately equal parts, to both leakage (or sleep) power and active (dynamic) switching power. Dans le microprocesseur moderne standard, la puissance dissipée est due, en parties approximativement égales, à la fois aux courants de fuite et à la puissance active de commutation.
La dissipation de puissance est calculée au niveau du système, où chaque Watt requis par le CPU demande environ 1,5× plus d’énergie (bloc d’alimentation, carte mère, refroidissement). Un tel gaspillage d’énergie est encore plus évident dans les systèmes construits sur des processeurs autrement économe en énergie. Par exemple, dans le cas de l’Intel Atom N270 (2,5 W d’utilisation d’énergie), celui-ci est généralement jumelé avec le chipset Intel 945GSE (11,8 W d’utilisation d’énergie). À l’autre extrême, les centres de données nécessitent 50% -100% d’énergie supplémentaire pour le refroidissement, qui est maintenant le plus important facteur limitant la performance, non pas le matériel lui-même.
Ces défis énergétiques de l’infrastructure électronique ne résultent pas uniquement du côté de l’alimentation qui appelle à de nouvelles sources d’énergie, des batteries efficaces, ou de nouveaux matériaux thermoélectriques, mais aussi du côté de la demande, à savoir, la nécessité de dispositifs de calcul à haut rendement énergétique. Des percées dans la compréhension et l’amélioration de l’efficacité énergétique dans la nanoélectronique aura un effet global, affectant notre approvisionnement énergétique, les budgets, et l’environnement.
Dans une optique plus large, un peu plus de la moitié de l’énergie produite par les humains sur Terre est gaspillée en chaleur (1013 W) : des centrales électriques aux usines et passant par les moteurs de voiture et les blocs d’alimentation de nos ordinateurs portables. Une récupération efficace d’un faible pourcentage de la chaleur perdue pourrait à elle-même suffire aux besoins en électricité de notre planète. Les questions fondamentales constituent en fait un double problème : d’un côté, il y a un besoin important d’appareils informatiques à faible énergie, ce qui constitue peut-être le plus grand défi de la micro/nanoélectronique moderne. De l’autre côté il y a le défi de la dissipation de la chaleur résiduelle guidée ou convertie en électricité utile. À grande échelle, un transistor deux fois plus efficace énergétiquement pourrait réduire la consommation d’énergie planétaire par un pourcentage important. Un tel progrès est essentiel au maintien du développement dans un monde post-CMOS et aura aussi de grandes répercussions sur l’environnement.
Article original : Eric Pop, Energy Dissipation and Transport in Nanoscale Devices
nice post. thanks.