Imec atteint une densité record de 3,8 millions de jonctions dans des circuits supraconducteurs

LEUVEN, Belgique — Le centre international de recherche en microélectronique imec a franchi une étape majeure dans l'ingénierie des semi-conducteurs cryogéniques, en fabriquant un circuit intégré supraconducteur qui atteint une densité record de 3,8 millions de jonctions Josephson par millimètre carré. Selon un rapport technique publié par Aamir Khollam le 8 septembre 2026, cette percée repose sur un câblage d'interconnexion ultra-fin de 30 nanomètres en nitrure de niobium-titane (NbTiN). Cette avancée établit une nouvelle référence structurelle pour les architectures informatiques cryogéniques à haute densité, offrant une voie matérielle viable pour la mise à l'échelle des unités de traitement quantique et des systèmes de contrôle pour superordinateurs à très faible consommation d'énergie fonctionnant près du zéro absolu.

## Faits clés - Le centre de recherche imec a démontré une densité record de circuit supraconducteur de 3,8 millions de jonctions Josephson par millimètre carré. - L'architecture du circuit intègre des lignes en nitrure de niobium-titane (NbTiN) de 30 nanomètres de large pour des interconnexions électriques à haute densité. - La méthodologie de fabrication résout les goulets d'étranglement spatiaux et d'interconnexion historiques des réseaux logiques cryogéniques et de l'électronique de contrôle quantique. - Le nitrure de niobium-titane offre une tolérance supérieure au champ magnétique critique et des températures de transition critique plus élevées que le câblage conventionnel en niobium pur. - L'accomplissement technique a été détaillé dans un rapport publié par Aamir Khollam le 8 septembre 2026.

## Que s'est-il passé L'étape d'intégration démontrée par imec marque un saut quantitatif dans la densité d'intégration des composants de la microélectronique supraconductrice — une classe de matériel informatique qui conduit le courant électrique avec une résistance nulle lorsqu'elle est refroidie en dessous des températures de transition critique. Au cœur physique des puces logiques numériques supraconductrices se trouvent les jonctions Josephson, des dispositifs nanométriques composés de deux électrodes supraconductrices séparées par une barrière isolante ultra-fine à travers laquelle les paires d'électrons traversent par effet tunnel sans dissiper d'énergie.

Pour atteindre une densité d'intégration de 3,8 millions de jonctions par millimètre carré, imec a entièrement révisé la géométrie de mise à l'échelle des jonctions ainsi que le schéma de métallisation des interconnexions sous-jacentes. Les générations précédentes de circuits logiques supraconducteurs reposaient principalement sur des pistes en niobium pur (Nb). Cependant, le niobium pur subit une dégradation physique sévère lorsqu'il est réduit à des dimensions inférieures à 100 nanomètres, présentant une inductance cinétique accrue, une densité de courant critique dégradée et une forte sensibilité au piégeage de flux magnétique parasite.

Imec a surmonté ces obstacles de miniaturisation en mettant en œuvre des lignes d'interconnexion de 30 nanomètres composées de nitrure de niobium-titane (NbTiN), un alliage supraconducteur réfractaire. Les fils en NbTiN de 30 nm permettent un espacement réduit entre les jonctions Josephson individuelles tout en préservant les solides propriétés de transport électrique nécessaires pour commuter des états numériques à des dizaines ou des centaines de gigahertz. En réduisant à la fois les jonctions de commutation actives et les voies d'acheminement des signaux à des dimensions nanométriques, les chercheurs ont réussi à intégrer des millions de composants actifs dans une surface de puce qui ne pouvait auparavant en accueillir que quelques dizaines de milliers.

Le flux de processus développé chez imec exploite l'infrastructure standard de fabrication de tranches de silicium de 300 millimètres, ce qui indique que les circuits supraconducteurs à haute densité peuvent être produits à l'aide de lignes de fabrication commerciales modifiées plutôt que d'équipements de laboratoire à faible rendement.

## Pourquoi c'est important L'atteinte de 3,8 millions de jonctions par millimètre carré cible directement la principale contrainte physique à laquelle est confronté le calcul cryogénique avancé : augmenter le nombre de composants sans dépasser des budgets thermiques stricts. Les superordinateurs modernes basés sur des transistors au silicium standard consomment des dizaines de mégawatts d'énergie électrique, générant une chaleur fatale massive qui limite sévèrement les gains de performance futurs. En revanche, la logique numérique supraconductrice — telle que le Single Flux Quantum (SFQ) et la Reciprocal Quantum Logic (RQL) — fonctionne avec une résistance électrique nulle, consommant jusqu'à trois ordres de grandeur moins d'énergie par opération logique tout en tournant à des fréquences d'horloge supérieures à 100 gigahertz.

Cependant, la logique cryogénique a historiquement souffert d'une faible densité d'intégration. Alors que les puces CMOS au silicium conventionnelles intègrent des dizaines de milliards de transistors sur une seule matrice, les circuits supraconducteurs ont longtemps été limités à des milliers ou des dizaines de milliers de jonctions. Ce déficit de densité signifiait que les puces de contrôle cryogéniques étaient beaucoup trop volumineuses pour être placées aux côtés des processeurs quantiques à l'intérieur de réfrigérateurs à dilution ou de plaques froides de superordinateurs, contraignant les ingénieurs système à faire passer des milliers de câbles coaxiaux individuels dans des chambres à vide sous-kelvins.

En compressant des millions de jonctions Josephson dans un seul millimètre carré, la conception d'imec permet d'intégrer des circuits complexes de contrôle, de lecture et de traitement du signal directement au sein des environnements cryogéniques. En informatique quantique, faire passer les systèmes de centaines de qubits physiques à des processeurs tolérants aux pannes contenant des millions de qubits nécessite une logique cryogénique sur puce capable d'exécuter la correction d'erreurs et l'acheminement des qubits en temps réel. Une densité de 3,8 millions de jonctions permet de placer des contrôleurs logiques numériques complexes à quelques millimètres de réseaux de qubits supraconducteurs fonctionnant à 15 millikelvins, éliminant ainsi les goulots d'étranglement majeurs liés au câblage qui freinent actuellement les systèmes quantiques à grande échelle.

De plus, pour le calcul haute performance exaflopique, les circuits en NbTiN à haute densité ouvrent la voie à des coprocesseurs cryogéniques ultra-denses capables d'exécuter des algorithmes gourmands en données avec une dissipation d'énergie négligeable, offrant ainsi une piste vers des infrastructures de calcul intensif durables.

## Le contexte L'électronique supraconductrice tire ses origines théoriques de 1962, lorsque le physicien britannique Brian Josephson a prédit l'effet tunnel des paires d'électrons supraconducteurs à travers une fine barrière isolante — une découverte pour laquelle il a partagé le prix Nobel de physique en 1973. Tout au long de la fin du XXe siècle, de grands programmes de recherche industriels menés par IBM, AT&T Bell Laboratories et des consortia gouvernementaux japonais ont cherché à construire des ordinateurs centraux (mainframes) utilisant des jonctions Josephson, attirés par leurs vitesses de commutation de l'ordre de la picoseconde et leur consommation d'énergie inférieure au microwatt.

Les premiers efforts sur les ordinateurs centraux ont été largement mis de côté à la fin des années 1980 en raison de la mise à l'échelle rapide et rentable de la technologie CMOS au silicium sous la loi de Moore, ainsi que des difficultés de fabrication associées au contrôle de l'uniformité des jonctions sur de grands substrats de silicium. Les premiers circuits reposaient également sur une métallurgie du plomb ou du niobium pur, qui subissait une dégradation structurelle lors de cycles thermiques répétés entre la température ambiante (295 Kelvin) et les températures de l'hélium liquide (4,2 Kelvin).

Dans les années 2010, l'émergence de l'informatique quantique supraconductrice a suscité un regain d'intérêt mondial pour la microélectronique cryogénique. Des agences scientifiques et de défense, telles que l'Intelligence Advanced Research Projects Activity (IARPA) aux États-Unis, ont lancé des initiatives majeures, notamment les programmes Cryogenic Computing Complexity (C3) et SuperTools, pour moderniser l'automatisation de la conception électronique et les protocoles de fabrication des puces supraconductrices.

Fondé en 1984 à Leuven, en Belgique, l'imec (Interuniversity Microelectronics Centre) s'impose comme le premier centre de recherche indépendant au monde en nanoélectronique, en partenariat avec les leaders mondiaux des semi-conducteurs, notamment ASML, TSMC, Intel, Samsung et GlobalFoundries. La stratégie de l'imec s'articule autour de l'adaptation d'outils industriels avancés de lithographie et de gravure plasma 300mm à des systèmes de matériaux non traditionnels, tels que le NbTiN, le tantale et les barrières d'oxyde d'aluminium. Le nitrure de niobium-titane s'est imposé comme un matériau privilégié car sa température de transition critique (environ 14 à 16 Kelvin) et sa résistance au champ magnétique critique dépassent nettement celles du niobium pur (9,2 Kelvin), offrant une plus grande marge opérationnelle et permettant des géométries de fils plus étroites sans perte de supraconductivité.

## Réactions Bien qu'aucune déclaration publique officielle des partenaires de fonderie commerciale n'ait encore été publiée à la suite de cette annonce, les physiciens des composants semi-conducteurs et les architectes de matériel quantique considèrent l'indice de densité de l'imec comme une étape majeure pour la conception de systèmes cryogéniques. Les experts du secteur évaluent habituellement les nouveaux résultats d'intégration de matériaux par le biais d'articles techniques évalués par des pairs lors de grands forums internationaux, tels que l'IEEE Applied Superconductivity Conference (ASC) et l'International Electron Devices Meeting (IEDM).

Les développeurs de matériel informatique quantique, y compris les équipes d'ingénierie d'IBM Quantum, Google Quantum AI, Rigetti Computing et Oxford Quantum Circuits, devraient examiner de près la méthodologie de fabrication de l'imec. Ces organisations sont actuellement confrontées à de sévères goulots d'étranglement dans l'acheminement des signaux à l'intérieur des réfrigérateurs à dilution d'hélium, où la conduction thermique à travers le câblage en cuivre limite le nombre total de lignes de contrôle pouvant pénétrer dans l'étage le plus froid du cryostat.

Les groupes de recherche académiques spécialisés dans la conception logique Single Flux Quantum sont également attendus pour réagir en mettant à jour leurs bibliothèques de cellules d'automatisation de la conception électronique (EDA). Des densités de jonction plus élevées permettent aux concepteurs logiques d'implémenter des fichiers de registres complexes, des unités arithmétiques et logiques (ALU) multi-bits et des réseaux de mémoire cryogénique denses, ce qui était auparavant impossible en raison de contraintes physiques liées à la taille des puces.

## Ce que nous ne savons pas encore Malgré la percée rapportée concernant la densité de jonction et la largeur de ligne, plusieurs paramètres critiques de fabrication et de performance physique restent non divulgués dans le rapport technique initial : - **Rendement et uniformité à l'échelle de la tranche :** On ignore actuellement quel pourcentage des 3,8 millions de jonctions Josephson par millimètre carré fonctionne dans le respect des tolérances strictes de courant critique ($I_c$) sur l'ensemble d'une tranche de 300mm. Dans les circuits logiques supraconducteurs, même un faible pourcentage de jonctions hors spécifications peut provoquer des erreurs logiques systémiques. - **Stabilité au cyclage thermique :** La fiabilité mécanique à long terme des interconnexions en NbTiN de 30nm soumises à des cycles de refroidissement thermique répétés entre la température ambiante et les régimes cryogéniques n'a pas été détaillée publiquement. - **Limites de fonctionnement à haute fréquence :** Bien que le NbTiN présente une inductance cinétique élevée, ce qui peut affecter les délais de propagation du signal, la fréquence d'horloge maximale précise et l'énergie de commutation par jonction pour cette implémentation spécifique de 30nm n'ont pas été entièrement spécifiées. - **Diaphonie et blindage magnétique :** Avec un pas de fil de 30 nanomètres et un espacement de jonction sous-micronique, le piégeage de flux magnétique parasite et le couplage électromagnétique parasite entre lignes voisines représentent des défis d'ingénierie complexes nécessitant une vérification empirique.

## À surveiller Dans les mois à venir, plusieurs étapes clés clarifieront la viabilité industrielle de l'architecture supraconductrice à haute densité d'imec : - **Présentations techniques à venir :** Des publications techniques évaluées par des pairs et des articles détaillés sur l'intégration des processus sont attendus lors des prochains événements du secteur, tels que l'International Electron Devices Meeting (IEDM) ou l'IEEE International Superconductive Electronics Conference (ISEC). - **Démonstrations de circuits prototypes :** Des annonces ultérieures démontrant des blocs logiques multi-bits fonctionnels, tels qu'un accumulateur SFQ à haute densité, un réseau de mémoire cryogénique ou un multiplexeur de contrôle de qubits intégré fabriqué avec le procédé NbTiN de 30nm, sont à surveiller. - **Intégration en fonderie et ligne pilote :** Les progrès dans le transfert de ce module de processus NbTiN sur 300mm de la ligne pilote de R&D d'imec vers des fonderies spécialisées commerciales ou des lignes de fabrication de matériel quantique. - **Métriques de performance cryogénique :** La publication des mesures de température critique ($T_c$), de densité de courant critique ($J_c$) et de résilience au champ magnétique sur des zones de tranches de plusieurs pouces dans des conditions cryogéniques opérationnelles.

Ce rapport est basé sur des informations techniques rapportées par le journaliste Aamir Khollam le 8 septembre 2026, détaillant les développements en microélectronique au sein de l'institut de recherche imec.