Depuis plus d’une décennie, le paradigme principal pour la conception de puces électroniques était d’assembler une série de transistors sur un plan. Ainsi, par exemple, Samsung est passé d’une technologie 120 nm en 2003 à du 16 nm en 2014, avec une amélioration chaque année au niveau de la finesse de gravure, en moyenne. Cependant, les améliorations se font au prix de processus de plus en plus compliqués, notamment au niveau de l’exposition des circuits : pour dessiner les transistors, un laser est utilisé à travers un masque, avec différents processus optiques pour atteindre les finesses de gravure actuelles (de nouvelles techniques sont en cours d’exploration, comme les EUV). Actuellement, les processus les plus avancés utilisent une exposition en quatre phases, ce qui nécessite une préparation des galettes de silicium en amont de plus en plus coûteuse : les étapes de dépôt et d’attaque chimique de la surface représentent maintenant les deux tiers du coût de fabrication d’une galette.

Cependant, cette manière de procéder doit évoluer, notamment à cause des difficultés à faire progresser les technologies d’impression de circuits tout en maintenant des coûts raisonnables. Pour ce faire, une technique actuelle est de combiner plusieurs circuits dans une même puce, comme le font déjà AMD et NVIDIA pour leurs processeurs graphiques (pas tous, loin de là !) ou encore Altera : la partie mémoire HBM2 est superposée au processeur principal.

De son côté, Samsung va encore plus loin : dès 2014, le fondeur coréen pousse l’idée de superposition encore plus loin pour leurs composants de mémoire. Une telle puce est composée de trois types de couches :

• une couche CMOS pour toute la partie auxiliaire du composant, les contrôleurs ;
• plusieurs couches formant un tableau de mémoire, là où les valeurs sont effectivement stockées ;
• une structure d’interconnexion entre les deux types de couches.

Les contrôleurs et l’interconnexion sont des couches planaires tout à fait traditionnelles, alors que la mémoire proprement dite exploite un procédé tout à fait spécifique, en trois dimensions — schématiquement, un film de silicium est déposé, puis une première couche de transistors est créée, l’opération est répétée un grand nombre de fois. L’information est alors stockée le long d’une chaîne de cellules, au lieu d’une seule cellule : pour en agrandir une, il suffit de déposer un plus grand nombre de couches.

L’un des avantages est que les cellules sont plus grandes et peuvent contenir plus d’électrons, ce qui aide à améliorer certaines caractéristiques comme la vitesse ou l’endurance, par rapport aux technologies purement planaires.

Pour les chiffres, la densité peut beaucoup augmenter : par rapport à quelques mégaoctets par millimètre carré en 2003 à plus 1,1 Go en 2014 à raison de trois bits par cellule, la première génération 3D ne montait qu’à 0,97 Go le millimètre carré, en 2014, avec deux bits par cellule et vingt-quatre couches. Depuis lors, le processus s’améliore : en 2015, avec trente-deux couches, il était possible de stocker trois bits par cellule (1,86 Go/mm²) ; cette année, en montant à quarante-huit couches, la densité monte à 2,62 Go/mm², toujours avec trois bits par cellule. Dans le futur, de nouvelles couches devraient s’ajouter, avec à l’horizon 2020 cent vingt-huit couches, quatre bits par cellule, pour une densité de 8,67 Go/mm² (plus de huit fois la densité actuelle).

Actuellement, la technologie de Samsung reste relativement expérimentale, elle n’est pas prête pour la production de masse : les rendements sont relativement faibles, mais s’amélioreront avec l’expérience. Micron planche sur des techniques similaires et, d’après les premières expériences, une production avec trente-deux couches serait vingt-cinq pour cent moins chère par bit mémorisé que le même composant en technologie 16 nm. Les coûts de production d’une galette augmentent, mais il semblerait que ce soit dans des proportions raisonnables.

Source (dont image) : 3D NAND – Moore’s Law in the third dimension.