La Nasa réinvente les tubes à vide

Les tubes à vide, des reliques du passé de l'informatique ? Pas forcément. Des chercheurs de la Nasa veulent les réinventer au travers d'un transistor d'un nouveau genre, dit à "canal à vide". Une technologie découverte par erreur mais aux applications prometteuses.

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La Nasa réinvente les tubes à vide
Ces tubes à vide formaient l'unité de calcul arithmétique des ordinateurs AN/FSQ-7, fabriqués par IBM à la fin des années 1950 pour coordonner les données radar du système de défense de l'armée de l'air des Etats-Unis d'Amérique, le SAGE (Semi-Automatic Ground Environment ). Chaque ordinateur possédait 60 000 tubes de ce type.

Avant le transistor, ce composant électronique qui a révolutionné le monde, il y avait le tube à vide. Gourmands en énergie, dégageant une forte chaleur, peu fiables et prenant une place considérable, ces tubes ont formé les unités de calcul des premiers ordinateurs et furent à ce titre les précurseurs de l'informatique moderne. Mais cette technologie devenue marginale pourrait revenir sur le devant de la scène grâce à la Nasa. Dans un article publié sur IEEE Spectrum, Jin-Woo Han et Meyya Meyyappan, chercheurs au Centre de recherche Ames de la Nasa, détaillent en effet comment ils ont créé un prototype de transistor utilisant un «canal à vide».

Un tube à vide traditionnel est conceptuellement proche d'un transistor (mot-valise de transfer resistor, résistance de transfert), notamment d'un Mosfet (transistor à effet de champ à grille métal-oxyde). Il est composé de trois éléments : une cathode, une anode et un circuit de contrôle placé entre les deux, qui régule le courant électrique passant de l'une à l'autre. Mais la manière dont l'électricité passe entre les électrodes diffère entre les deux systèmes. Les transistors tirent avantage des propriétés semiconductrices des matériaux qu'ils emploient, tandis que les tubes à vide utilisent un procédé appelé émission thermoïonique : la cathode est chauffée jusqu'à ce qu'elle relâche des électrons. C'est de là que vient la nécessité de placer le dispositif sous vide dans un tube en verre, à cause du risque de collision des électrons avec les molécules composant l'air au moment de leur transfert entre les électrodes, ce qui provoquerait une ionisation du gaz et endommagerait le système.

Une réinvention grâce aux nanotechnologies

Le principe du "transistor à vide" est le même : deux électrodes plongées dans du vide entre lesquelles passe du courant. Mais au lieu d'une échelle de l'ordre du millimètre, on se trouve ici au niveau du nanomètre. Les deux chercheurs ont fait cette découverte accidentellement en travaillant sur un nanofil. L'échelle nanoscopique a plus d'un avantage. En premier lieu, le fait que l'espace entre les électrodes est si petit que les chances d'une collision moléculaire sont infimes. Il n'y a donc plus besoin de vide. A la place, le nouveau système utilise de l'hélium. Ensuite, l'émission thermoïonique est remplacée par un autre procédé, appelé émission de champ : les électrons sont émis par la cathode simplement en la plaçant dans un champ électrique statique.

Quant à ces nouveaux transistors, leur principal avantage par rapport aux transistors traditionnels en silicium, en plus d'être beaucoup plus résistants à la chaleur et aux radiations, est leur vitesse d'exécution dix fois plus rapide. Le prototype créé par les chercheurs a ainsi pu effectuer des permutations à une fréquence de 460 GHz (à température ambiante). En atteignant cette vitesse, le prototype offre une avenue pour exploiter les fréquences supérieures aux micro-ondes et inférieures aux infrarouges, une zone du spectre parfois qualifiée de "terahertz gap" car très peu d'appareils sont capables de fonctionner à ces fréquences (qu'il s'agisse de les générer ou de les détecter), qui vont de 100 GHz à 10 THz (correspondant à des longueurs d'onde allant de 3 mm à 30 µm). Les fréquences moins élevées peuvent être gérées par les appareils utilisant des semiconducteurs, et les plus élevées relèvent du domaine de l'infrarouge et de l'optique, mais il n'y a pas de solution intermédiaire.

Les applications potentielles pour ces équipements incluent les communications à haute vitesse, la détection de substances chimiques dangereuses, l'imagerie médicale... Ces transistors pourraient de plus être intégrés à terme dans des microprocesseurs, car ils sont compatibles avec le méthode de fabrication CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). Cependant les recherches n'en sont évidemment qu'à leurs débuts, et il faudra de nombreuses années avant qu'un produit commercial puisse voir le jour. Le prototype fonctionne notamment sur 10 volts actuellement, ce qui est beaucoup trop élevé pour une puce électronique moderne. La prochaine étape sera déjà de créer un circuit intégré à partir ces transistors à canal à vide.

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