L'invention des puces électroniques!!!
Comment utiliser le transistor de façon optimale dans des circuits électroniques ? C'est la question que se posaient bon nombre d'ingénieurs à la fin des années 1950. Jack Kilby, chez Texas Instruments, est le premier à mettre en oeuvre l'idée qui fait aujourd'hui fonctionner tous nos ordinateurs : la fabrication de tous les composants sur une même plaque de silicium.
Le prix Nobel de physique 2000 attribué pour moitié à Jack Kilby pour l'invention du circuit intégré est surprenant à plus d'un titre. D'abord, il récompense des travaux fort anciens, effectués entre 1958 et 1963. Ensuite, il récompense des travaux de recherche explicitement appliquée. Il y a fort longtemps que cela n'était pas arrivé : il faut remonter à 1986, avec la distinction d'Ernst Ruska pour l'invention du microscope électronique, voire à 1971, avec celle de Dennis Gabor, inventeur de l'holographie. Pour le centième prix Nobel, les travaux récompensés sont même tellement appliqués que leur auteur n'est pas physicien et n'a jamais passé de thèse !
Pourquoi le comité Nobel a-t-il choisi de singulariser les technologies de l'information et de la communication ? C'est qu'au cours du XXe siècle les progrès de la physique ont, entre autres choses, bouleversé nos manières de voyager, de communiquer, de travailler. Grâce à ces technologies, le « village global », annoncé par Marshall McLuhan dès les années 1960, est devenu une réalité.
Déjà, le prix Nobel de 1956 avait récompensé l'invention du transistor, par John Bardeen, Walter Brattain et William Shockley des laboratoires Bell, organe de recherche d'American Telephone and Telegraph ATT. Cette invention, datée du 23 décembre 1947, couronnait l'application de la théorie quantique des solides aux matériaux semi-conducteurs. C'est en effet la compréhension complète des phénomènes quantiques dans les semi-conducteurs qui a permis la transformation de propriétés jusque-là mystérieuses en outils de redressement et d'amplification du courant électrique1,2.
Faible consommation. Le circuit intégré n'est pas un concept aussi fondamental que le transistor : son invention résulte de l'association d'éléments déjà connus, sinon maîtrisés, en réponse à un besoin pratique. Dès l'invention du transistor, celui-ci remplace le tube à vide dans les appareillages électroniques, et les ingénieurs songent à l'utilisation de ses propriétés remarquables : miniaturisation, grâce à des techniques de micro fabrication par lithographie*, et conception de très grands systèmes grâce à une meilleure fiabilité des composants, à leur petite taille et surtout à leur faible consommation énergétique. Cette course à la miniaturisation est suscitée par des besoins, exprimés en particulier par les militaires : besoin de grandes capacités de calcul, donc de très grands ordinateurs de taille raisonnable, besoin de disposer d'électronique « portable » pour les communications, pour le guidage des missiles ou pour l'équipement des satellites.
Pour toutes ces applications, on tente dans les années 1950 d'assembler, de façon compacte, le plus grand nombre de composants possible, par des techniques dites « hybrides » : chaque composant résistance, diode, condensateur, transistor, self est fabriqué dans un matériau différent, et ils sont reliés, mécaniquement et électriquement, par d'autres matériaux encore. De nombreuses conférences s'attachent à explorer une multitude d'idées pour mieux disposer les composants sur des surfaces ou dans des volumes3.
L'obstacle de la soudure. L'approche hybride rencontre toutefois une limitation importante. Tandis que le rendement de fabrication et la fiabilité des composants ont beaucoup augmenté, ceux des soudures, qui assurent la liaison électrique entre ceux-ci, plafonnent. Devra- t-on se contenter de circuits comportant au mieux quelques centaines de composants, qui ne nécessiteraient que quelques milliers de soudures ?
Quelques visionnaires, dont G.W.U. Dummer, du Royal Radar Establishment britannique, proposent alors de fabriquer tous les composants électroniques avec un seul matériau, le semi-conducteur, qui servirait aussi de support. Cette approche, initialement nommée « électronique moléculaire », triomphera sous le nom de « circuit intégré monolithique ».
Alors que plusieurs laboratoires bien établis se mettent au travail pour appliquer l'idée de Dummer, J. Kilby, en outsider , est le premier à aboutir. Il connaît bien l'assemblage de composants car il a travaillé après la guerre sur des systèmes d'armes miniaturisés. Il a déjà utilisé des transistors, mais la société qui l'emploie n'a pas les moyens d'investir dans des machines modernes qui permettraient de fabriquer de bons semi-conducteurs4. En mai 1958, il se fait alors embaucher par Texas Instruments. Nouvellement arrivé, il n'a pas le droit de prendre de congés d'été, et se retrouve donc seul pendant quelques semaines. Il réfléchit alors à un projet de travail, ce qui l'amène à concevoir une méthode pour réaliser les différents éléments de circuits résistances, condensateurs et transistors par attaque chimique localisée du silicium. La composition chimique du silicium on incorpore lors de la croissance du cristal des impuretés chimiques qui modifient la conductivité, la profondeur de l'attaque et la géométrie des motifs attaqués déter- minent les différents composants. Dès la reprise du travail, il en démontre la faisabilité, en fabriquant un oscillateur, formé d'un transistor, d'un condensateur et de trois résistances. Les connexions électriques sont réalisées par des fils d'or soudés, mais dans le brevet qu'il dépose le 6 février 1959, J. Kilby mentionne qu'elles pour- raient être réalisées par des bandes d'or déposées sur le semi-conducteur.
Ce brevet est suivi de près par un autre, déposé par Robert Noyce, de la société Fairchild Electronics il fondera plus tard Intel. Noyce décrit aussi un circuit intégré, mais, en plus, il propose la bonne méthode de fabrication : le procédé « planar ». Noyce reprend une idée développée chez Bell, le masquage du silicium à l'aide d'un dépôt de silice. Dans les trous pratiqués dans ce dépôt, on modifie le matériau afin de fabriquer les composants, par exemple en déposant des impuretés ou des métaux. De plus, il propose d'utiliser l'aluminium pour les connexions l'or, proposé par J. Kilby, se révèlera inutilisable. Bien que déposé six mois après celui de J. Kilby, le brevet de Noyce est reconnu le premier par l'office des brevets américains. Au bout d'une longue bataille juridique entre les deux entreprises, une paternité du circuit intégré leur est reconnue conjointement : Texas Instruments obtient l'antériorité et Fairchild Electronics la méthode de fabrication.
Cette quasi-simultanéité de l'invention n'est pas due au hasard : d'une part, elle répond, on l'a vu, à un besoin bien défini. D'autre part, le monopole d'ATT sur les télécommunications l'oblige à rendre accessible à tous les résultats des laboratoires Bell. Ainsi, c'est lors de séminaires organisés chez Bell que J. Kilby s'est initié aux transistors, et Noyce a inventé le circuit intégré et sa fabrication « planar » en mettant bout à bout un ensemble de technologies inventées par Bell, où il a d'excellents contacts notamment via Shockley, lorsqu'il était encore dans la firme qu'avait fondée celui-ci à Palo Alto.
Bouleversement conceptuel. Bien qu'il réponde à des besoins très concrets, le circuit intégré ne s'est pas imposé facilement. Au contraire ! La plupart des entreprises fabriquant des tubes à vide s'étaient mises à fabriquer des transistors, mais bien peu ont fait le saut vers les circuits intégrés : le bouleversement conceptuel était bien plus grand. Les transistors remplaçaient en effet les tubes « composant pour composant ». C'était simple et évident. Au contraire, l'intégration monolithique se heurtait à plusieurs objections très fortes. D'abord, elle utilisait le matériau semi-conducteur, rare donc coûteux, pour des fonctions peu nobles, de support par exemple. Ensuite, elle obligeait à des compromis sur les géométries et les compositions des éléments : chacun est moins per-formant que s'il était fabriqué séparément. En outre, le rendement ne serait-il pas ridiculement bas, puisque, au lieu de fabriquer séparément des composants et de trier ceux qui ne fonctionnent pas, on devait avoir d'un seul coup un ensemble de bons composants ? Enfin, alors que l'on avait besoin de multiples fonctionnalités dans les assemblages de composants, que l'on pouvait concevoir et réaliser à la demande par l'approche hybride, il semblait impossible de satisfaire la variété de besoins par des circuits intégrés, à la fonctionnalité figée. Ces objections incitèrent même les laboratoires Bell à continuer la course à l'hybridation, en optimisant les composants individuels et en minimisant le nombre de composants, donc de soudures, nécessaires pour atteindre les diffé- rentes fonctionnalités recherchées.
On sait ce qu'il en advint : l'intégration permit au contraire de franchir ces limitations, et d'aller bien au-delà. On fabrique aujourd'hui des tranches de silicium de trente centimètres de diamètre, sur lesquelles on grave jusqu'à mille milliards de composants ! On utilise en fait fort efficacement la surface, relativement coûteuse du silicium, grâce à l'extraordinaire miniaturisation, impossible à atteindre pour des composants discrets. On fabrique de manière très contrôlée propreté, conditions chimiques de surface, etc. et à l'identique des milliards de contacts électriques, tous bons ! Il est aujourd'hui patent que l'intégration a multiplié les rendements et la fiabilité par plusieurs milliards. Incidemment, le coût a baissé dans les mêmes proportions : un circuit intégré, comportant bientôt un milliard de transistors, coûte une dizaine de dollars, autant qu'un transistor dans les années 1950.
Quant au problème de la fonctionnalité limitée, il a été résolu en deux temps : au début des circuits intégrés, on ne réalisait que des fonctions universelles simples, les portes logiques*, dont l'assemblage permettait de constituer de grands ensembles fonctionnels, tels des commutateurs téléphoniques ou des ordinateurs. C'est ainsi grâce à la gamme de circuits intégrés « micrologic » de Fairchild Electronics que les ordinateurs des missions Apollo vers la Lune ont été fabriqués. Compacts, ces circuits étaient aussi très fiables. Comprenant quelques dizaines de composants élémentaires, ils contribuaient déjà fortement à l'augmentation de rendement de fabrication des ensembles, en diminuant le nombre de soudures à effectuer.
Programmation. La grande révolution est cependant arrivée par le microprocesseur voir l'enca- dré : « L'invention du micropro-cesseur » : au lieu de produire une fonctionnalité par assemblage d'éléments physiques, on la programme. Bien entendu, un tel système est loin d'être optimal dans l'utilisation des composants électroniques, mais comme le coût de ceux-ci s'est effondré, ce n'est plus très important.
Quels seront les prochains progrès de l'électronique ? Aujourd'hui, l'altruisme de Bell n'existe plus : le monopole d'ATT a disparu en 1984, et son rôle moteur en technologies de l'information a rapidement décliné depuis. Toutefois, il a été remplacé par un autre mécanisme de partage des informations : les industriels se sont rendu compte qu'ils étaient tous gagnants s'ils définissaient ensemble comment l'industrie doit progresser. C'est ainsi que la Semiconductor Industry Association définit tous les deux ans une vision le « roadmap » 5 de l'évolution technique du domaine et les directions dans lesquelles les acteurs devraient s'engager. La dernière version, publiée à la fin de 1999, donne la vision jusqu'en 2014. Inutile de dire que s'il y a à court terme des solutions en vue pour la plupart des besoins, il y a beaucoup d'incertitudes à plus long terme à la fois sur le fonctionnement des circuits, les technologies de fabrication, les rendements et les coûts. Toutefois, la loi empirique de Moore du nom de l'un des fondateurs d'Intel, qui l'a énoncée dès 1965 , selon laquelle le nombre de transistors des circuits intégrés double tous les dix-huit moisi, devrait rester valable. Aujourd'hui, les micro-ordinateurs sont dotés de circuits mémoires de 64 ou 256 mégabits de capacité chacun, ce qui correspond à la somme d'informations contenues dans un volume de l' Encyclopædia Universalis . En l'an 2010, chaque mémoire sera de 6 400 mégabits. Vers 2030, on pourrait acheter l'équivalent du cerveau humain en termes de puissance de calcul pour mille dollars6 ! D'ici là, de nouvelles fonctionnalités auront été développées pour exploiter cette puissance7.
Par Claude Weisbuch
Sujet: L'invention!électroniques!fleur! 
Mar 9 Avr 2013 - 22:43