Computers used to be as big as a room. But now they fit in your pocket, on your wrist and can even be implanted inside of your body. How cool is that? And this has been enabled by the miniaturization of transistors, which are the tiny switches in the circuits at the heart of our computers. And it's been achieved through decades of development and breakthroughs in science and engineering and of billions of dollars of investment. But it's given us vast amounts of computing, huge amounts of memory and the digital revolution that we all experience and enjoy today.
Avant, les ordinateurs prenaient la taille d'une pièce entière. À présent, ils rentrent dans votre poche ou sur votre poignet. Ils peuvent même être implantés à l'intérieur de votre corps. Ce n'est pas génial ? Et c'est possible grâce à la miniaturisation des transistors, c'est-à-dire les petits interrupteurs dans les circuits au cœur de nos ordinateurs. On y est arrivé grâce à des décennies de développement, de découvertes scientifiques et d'ingénierie, et aussi grâce à des milliards de dollars d'investissement. Cela nous a donné une vaste quantité d'informatisation, beaucoup de mémoire, et la révolution numérique que nous vivons et apprécions actuellement.
But the bad news is, we're about to hit a digital roadblock, as the rate of miniaturization of transistors is slowing down. And this is happening at exactly the same time as our innovation in software is continuing relentlessly with artificial intelligence and big data. And our devices regularly perform facial recognition or augment our reality or even drive cars down our treacherous, chaotic roads. It's amazing. But if we don't keep up with the appetite of our software, we could reach a point in the development of our technology where the things that we could do with software could, in fact, be limited by our hardware.
Mais la mauvaise nouvelle est qu'on arrive dans une impasse numérique car la vitesse de miniaturisation des transistors ralentit. Et ça se produit précisément au moment où nos innovations en matière de logiciels sont en croissance constante avec notamment l'intelligence artificielle et le big data et où nos appareils savent faire une identification faciale, augmentent notre réalité ou conduisent même des voitures sur des routes dangereuses et chaotiques. C'est incroyable. Mais, si on ne suit pas le rythme de progression de nos logiciels, on pourrait arriver à un point dans notre développement technologique où les choses qu'on pourrait faire avec les logiciels seraient limitées par le matériel.
We've all experienced the frustration of an old smartphone or tablet grinding slowly to a halt over time under the ever-increasing weight of software updates and new features. And it worked just fine when we bought it not so long ago. But the hungry software engineers have eaten up all the hardware capacity over time. The semiconductor industry is very well aware of this and is working on all sorts of creative solutions, such as going beyond transistors to quantum computing or even working with transistors in alternative architectures such as neural networks to make more robust and efficient circuits. But these approaches will take quite some time, and we're really looking for a much more immediate solution to this problem.
Nous avons tous vécu la frustration d'un vieux smartphone ou une tablette qui s’épuise lentement jusqu’à s'arrêter de fonctionner sous le poids toujours croissant des mises à jour et nouvelles fonctionnalités. Malgré ça, il marchait bien quand vous l'avez acheté, il n'y pas si longtemps. Mais les développeurs avides ont consommé toutes les capacités matérielles au fil du temps. L'industrie des semi-conducteurs en est parfaitement consciente et travaille sur toutes les solutions possibles, comme passer des transistors à l'informatique quantique, ou même utiliser des transistors avec des architectures différentes comme les réseaux neuronaux afin de créer des circuits plus robustes et plus efficaces. Toutefois, ces approches vont prendre du temps, et nous cherchons une solution bien plus rapide à ce problème.
The reason why the rate of miniaturization of transistors is slowing down is due to the ever-increasing complexity of the manufacturing process. The transistor used to be a big, bulky device, until the invent of the integrated circuit based on pure crystalline silicon wafers. And after 50 years of continuous development, we can now achieve transistor features dimensions down to 10 nanometers. You can fit more than a billion transistors in a single square millimeter of silicon. And to put this into perspective: a human hair is 100 microns across. A red blood cell, which is essentially invisible, is eight microns across, and you can place 12 across the width of a human hair. But a transistor, in comparison, is much smaller, at a tiny fraction of a micron across. You could place more than 260 transistors across a single red blood cell or more than 3,000 across the width of a human hair. It really is incredible nanotechnology in your pocket right now. And besides the obvious benefit of being able to place more, smaller transistors on a chip, smaller transistors are faster switches, and smaller transistors are also more efficient switches.
La raison pour laquelle la miniaturisation des transistors ralentit est la complexité toujours croissante du processus de fabrication. Autrefois, le transistor était un appareil gros et volumineux, jusqu'à l'invention du circuit intégré, qui repose sur l'utilisation de tranches de silicium cristallin pur. Et après 50 ans de développement constant, on peut enfin fabriquer des transistors dont les dimensions sont réduites à 10 nanomètres. On peut mettre plus d'un milliard de transistors dans un seul millimètre carré de silicium. À titre de comparaison : un cheveu humain a une largeur de 100 microns. Un globule rouge, qui est pratiquement invisible, fait 8 microns de largeur, et on peut en placer 12 sur la largeur d'un cheveu humain. Mais, en comparaison, un transistor est beaucoup plus petit, sa taille est une minuscule fraction de la largeur d'un micron. On pourrait mettre plus de 260 transistors sur un seul globule rouge ou plus de 3 000 sur la largeur d'un cheveu humain. Actuellement, il y a une nanotechnologie incroyable dans votre poche. Et en plus de l'avantage évident de pouvoir placer un nombre énorme de transistors plus petits sur une puce, ces petits transistors sont des interrupteurs plus rapides et ils sont aussi plus performants.
So this combination has given us lower cost, higher performance and higher efficiency electronics that we all enjoy today.
Ainsi cette combinaison nous a donné des prix réduits, de meilleures performances et une efficacité électronique plus grande dont nous bénéficions tous aujourd'hui.
To manufacture these integrated circuits, the transistors are built up layer by layer, on a pure crystalline silicon wafer. And in an oversimplified sense, every tiny feature of the circuit is projected onto the surface of the silicon wafer and recorded in a light-sensitive material and then etched through the light-sensitive material to leave the pattern in the underlying layers. And this process has been dramatically improved over the years to give the electronics performance we have today.
Pour fabriquer ces circuits intégrés, les transistors sont construits couche après couche, sur une tranche de silicium monocristallin pur. Et, pour le dire simplement, chaque petite caractéristique du circuit est implantée sur la surface de la tranche de silicium et est enregistrée sur une couche de produit photosensible et sera ensuite gravée grâce à ce même produit afin de laisser une trace sur la couche sous-jacente. Ce processus a été radicalement amélioré au cours de ces dernières années, pour apporter à l'électronique le rendement qu'on a aujourd'hui.
But as the transistor features get smaller and smaller, we're really approaching the physical limitations of this manufacturing technique. The latest systems for doing this patterning have become so complex that they reportedly cost more than 100 million dollars each. And semiconductor factories contain dozens of these machines. So people are seriously questioning: Is this approach long-term viable? But we believe we can do this chip manufacturing in a totally different and much more cost-effective way using molecular engineering and mimicking nature down at the nanoscale dimensions of our transistors.
Mais au fur et à mesure que les composants du transistor diminuent, on s'approche vraiment des limites physiques de cette technique de fabrication. Récemment, les appareils employés pour ce processus de fabrication sont devenus tellement complexes qu'ils coûtent plus de 100 millions de dollars chacun. Et les usines de semi-conducteurs possèdent des dizaines de ces appareils. La question qui se pose est : cette approche est-elle soutenable à long terme ? On pense pouvoir fabriquer des puces d'une façon complètement différente et plus rentable en utilisant l'ingénierie moléculaire et en imitant la nature à l'échelle nanométrique de nos transistors.
As I said, the conventional manufacturing takes every tiny feature of the circuit and projects it onto the silicon. But if you look at the structure of an integrated circuit, the transistor arrays, many of the features are repeated millions of times. It's a highly periodic structure. So we want to take advantage of this periodicity in our alternative manufacturing technique. We want to use self-assembling materials to naturally form the periodic structures that we need for our transistors. We do this with the materials, then the materials do the hard work of the fine patterning, rather than pushing the projection technology to its limits and beyond. Self-assembly is seen in nature in many different places, from lipid membranes to cell structures, so we do know it can be a robust solution. If it's good enough for nature, it should be good enough for us. So we want to take this naturally occurring, robust self-assembly and use it for the manufacturing of our semiconductor technology.
Comme je l'ai dit, lors de la fabrication typique, chaque petite caractéristique du circuit est projetée sur le silicium. Mais si on regarde la structure d'un circuit intégré, la matrice du transistor, beaucoup de ces caractéristiques se répètent des millions de fois. C'est une structure essentiellement périodique. Donc nous voulons exploiter cette périodicité pour notre technique alternative de production. On veut utiliser des matériaux qui s'auto-assemblent pour construire de façon naturelle les structures périodiques nécessaires à nos transistors. On fait ça avec les matériaux, puis ils créent eux-mêmes les schémas précis au lieu de pousser la technologie de projection au-delà de ses limites. L'auto-assemblage se retrouve dans la nature, en différents endroits, dans les membranes lipidiques ou la structure cellulaire, donc on sait qu'il s'agit d'une solution viable. Si c'est assez bien pour la nature, ça devrait aussi l'être pour nous. Donc nous voulons utiliser cet auto-assemblage robuste et naturel et nous en servir pour la fabrication de notre technologie de semi-conducteurs.
One type of self-assemble material -- it's called a block co-polymer -- consists of two polymer chains just a few tens of nanometers in length. But these chains hate each other. They repel each other, very much like oil and water or my teenage son and daughter.
Un de ces matériaux auto-assemblant, le copolymère à blocs, se compose de deux chaînes polymères de quelques dizaines de nanomètres de longueur. Mais ces chaînes se détestent. Elles se repoussent, comme l'eau et l'huile ou mon fils adolescent et sa sœur.
(Laughter)
(Rires)
But we cruelly bond them together, creating an inbuilt frustration in the system, as they try to separate from each other. And in the bulk material, there are billions of these, and the similar components try to stick together, and the opposing components try to separate from each other at the same time. And this has a built-in frustration, a tension in the system. So it moves around, it squirms until a shape is formed. And the natural self-assembled shape that is formed is nanoscale, it's regular, it's periodic, and it's long range, which is exactly what we need for our transistor arrays.
Mais, d'une façon cruelle, on les relie entre elles, créant ainsi une frustration intrinsèque au système, alors qu'elles cherchent à se séparer. Dans cette matière première, il y a des milliards de ces chaînes et les chaînes similaires essaient de rester ensemble. Par contre, celles qui s'opposent cherchent à se séparer et ce en même temps. Cela provoque une frustration interne, une tension dans le système. Et donc elles se déplacent et se tortillent jusqu'à qu'une forme se crée. La forme naturelle auto-assemblée qui se constitue est à l'échelle nanométrique régulière, périodique et à long terme, et c'est précisément ce dont on a besoin pour nos matrices de transistors.
So we can use molecular engineering to design different shapes of different sizes and of different periodicities. So for example, if we take a symmetrical molecule, where the two polymer chains are similar length, the natural self-assembled structure that is formed is a long, meandering line, very much like a fingerprint. And the width of the fingerprint lines and the distance between them is determined by the lengths of our polymer chains but also the level of built-in frustration in the system.
Ainsi on peut utiliser l'ingénierie moléculaire pour élaborer des formes diverses de tailles différentes et de périodicités différentes. Ainsi, par exemple, si on prend une molécule symétrique où les deux chaînes de polymères ont la même longueur, la structure auto-assemblée qui se constitue naturellement sera une longue ligne sinueuse, semblable à une empreinte digitale. La largeur des lignes de cette empreinte digitale et la distance entre ces lignes sont déterminées par la longueur des chaînes de polymères mais aussi par le niveau de frustration interne du système.
And we can even create more elaborate structures if we use unsymmetrical molecules, where one polymer chain is significantly shorter than the other. And the self-assembled structure that forms in this case is with the shorter chains forming a tight ball in the middle, and it's surrounded by the longer, opposing polymer chains, forming a natural cylinder. And the size of this cylinder and the distance between the cylinders, the periodicity, is again determined by how long we make the polymer chains and the level of built-in frustration.
On peut même créer des structures plus élaborées, si on emploie des molécules asymétriques, où une chaîne de polymères est bien plus courte que l'autre. La structure auto-assemblée qui se forme dans ce cas constitue une boule resserrée, avec les petites chaînes au milieu, entourée par les chaînes de polymères opposées, plus longues, constituant ainsi un cylindre naturel. Et la taille du cylindre, et la distance entre les cylindres, la périodicité, sont à nouveau déterminées par la longueur des chaînes et par le niveau de frustration interne.
So in other words, we're using molecular engineering to self-assemble nanoscale structures that can be lines or cylinders the size and periodicity of our design. We're using chemistry, chemical engineering, to manufacture the nanoscale features that we need for our transistors.
Autrement dit, on utilise l'ingénierie moléculaire pour auto-assembler des structures nanométriques en forme de lignes ou de cylindres selon la taille et périodicité de notre design. On utilise la chimie, l'ingénierie chimique, pour fabriquer les nano-éléments nécessaires pour nos transistors.
But the ability to self-assemble these structures only takes us half of the way, because we still need to position these structures where we want the transistors in the integrated circuit. But we can do this relatively easily using wide guide structures that pin down the self-assembled structures, anchoring them in place and forcing the rest of the self-assembled structures to lie parallel, aligned with our guide structure. For example, if we want to make a fine, 40-nanometer line, which is very difficult to manufacture with conventional projection technology, we can manufacture a 120-nanometer guide structure with normal projection technology, and this structure will align three of the 40-nanometer lines in between. So the materials are doing the most difficult fine patterning.
Cependant, la capacité d'auto-assemblage de ces structures ne règle qu'à moitié le problème parce qu'on a encore besoin de positionner ces structures là où on veut les transistors dans le circuit intégré. Mais cela peut se faire assez facilement à l'aide de larges structures guides qui fixent les structures auto-assemblées, les maintiennent en place, et forcent le reste des structures auto-assemblées à se placer parallèlement et à s'aligner sur notre structure guide. Par exemple, si on veut former une fine ligne de 40 nanomètres, si difficile à faire avec les technologies de projection traditionnelles, on peut fabriquer une structure guide de 120 nanomètres avec la technologie de projection classique, et cette structure alignera trois lignes de 40 nanomètres dans l'intervalle. Donc, ce sont les matériaux qui font le travail le plus difficile.
And we call this whole approach "directed self-assembly." The challenge with directed self-assembly is that the whole system needs to align almost perfectly, because any tiny defect in the structure could cause a transistor failure. And because there are billions of transistors in our circuit, we need an almost molecularly perfect system. But we're going to extraordinary measures to achieve this, from the cleanliness of our chemistry to the careful processing of these materials in the semiconductor factory to remove even the smallest nanoscopic defects.
On peut appeler cette approche « auto-assemblage dirigé ». Le défi de l'auto-assemblage dirigé est que tout le système doit s'aligner presque parfaitement car un seul petit défaut dans la structure pourrait faire échouer le transistor. Et comme il y a des milliards de transistors dans notre circuit, on a besoin d'un système aussi parfait qu'un système moléculaire. Mais nous faisons des efforts incroyables pour y parvenir, que ce soit la propreté de notre chimie ou le traitement minutieux de ces matériaux dans les usines de semi-conducteurs afin d'éliminer le moindre défaut nanoscopique.
So directed self-assembly is an exciting new disruptive technology, but it is still in the development stage. But we're growing in confidence that we could, in fact, introduce it to the semiconductor industry as a revolutionary new manufacturing process in just the next few years. And if we can do this, if we're successful, we'll be able to continue with the cost-effective miniaturization of transistors, continue with the spectacular expansion of computing and the digital revolution. And what's more, this could even be the dawn of a new era of molecular manufacturing. How cool is that?
Donc l'auto-assemblage dirigé est une rupture technologique prometteuse mais encore en développement. Toutefois on est de plus en plus convaincu qu'on pourrait en fait l'introduire dans les usines de semi-conducteurs comme un procédé de fabrication neuf et révolutionnaire dans les prochaines années. Si on arrive à faire ça, si on réussit, on pourra continuer avec une miniaturisation rentable des transistors, avec l'incroyable développement informatique et avec la révolution digitale. En outre, cela pourrait représenter l'aube d'une nouvelle ère en termes de fabrication moléculaire. Ce n'est pas génial ?
Thank you.
Merci.
(Applause)
(Applaudissements)