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circuit intégré

Vue interne d'un microprocesseur
Vue interne d'un microprocesseur

ÉLECTRONIQUE

Introduction

Calculettes, machines à laver, chaînes hi-fi, ordinateurs : les composants électroniques, et plus particulièrement les circuits intégrés, ces petites plaquettes de silicium, encore appelées « puces », réunissant des centaines, des milliers, voire des millions de composants de base (des transistors), sont devenus, en une quarantaine d'années, des acteurs fondamentaux du progrès. Le développement de l'informatique leur est directement lié : un ordinateur, grosso modo, n'est jamais qu'un ensemble – savamment organisé – de circuits intégrés auxquels un « programme » dicte la conduite à tenir. Les techniques de conception et de fabrication allant s'améliorant au fil des années, les circuits intégrés, à volume égal, contiennent un nombre grandissant de transistors, autorisant, du coup, le développement d'ordinateurs toujours plus puissants dans un espace toujours moindre – car plus un circuit peut contenir de transistors, plus nombreuses sont les fonctions qu'il est capable d'accomplir. Le « cœur » (l'unité centrale qui traite les informations en exécutant les instructions du programme) des petits ordinateurs, les fameux micro-ordinateurs, tient, aujourd'hui, sur une seule puce de silicium, autrement dit un seul circuit intégré, que l'on appelle microprocesseur. Et l'histoire des composants n'en est qu'à ses débuts. Les recherches vont bon train. On en attend la mise en œuvre de nouveaux matériaux et de nouvelles techniques de fabrication qui devraient permettre une intégration encore plus importante et une rapidité de fonctionnement accrue. Demain, un ordinateur entier tiendra sur une puce.

Dates clés des circuits intégrés

DATES CLÉS DES CIRCUITS INTÉGRÉS

1948Invention du transistor aux Laboratoires Bell (États-Unis) par les Américains J. Bardeen, W. Brattain et W. Shockley.
1958Premier circuit intégré (J. S. Kilby, États-Unis).
1959Mise au point de la technologie « planar » (équipe du Dr Noyce, société Fairchild, États-Unis).
1961Premier circuit intégré « planar » (société Fairchild, États-Unis).
1962Premier transistor MOS (Metal Oxide Semiconductor).
1964Premier circuit intégré linéaire (5 transistors, société Fairchild, Etats-Unis). Premier ordinateur utilisant des circuits intégrés (IBM 360).
1969Mise au point aux Laboratoires Bell (États-Unis) du CCD (Charge Coupled Device), circuit intégré qui utilise le déplacement et le stockage de charges électriques dans un substrat de silicium.
1972Premier microprocesseur (Intel 4004). Regroupant 2 300 transistors sur une plaquette de silicium carrée de 7 mm de côté, il traite des mots de 4 bits.
1974Premier microprocesseur traitant des mots de 8 bits (Intel 8008).
1978Premier microprocesseur traitant des mots de 16 bits.
1983Premier microprocesseur traitant des mots de 32 bits.

 

Du transistor à la « puce »

L'électronique fait appel à des circuits véhiculant des courants faibles. À l'origine, au début du xxe s., ces circuits étaient constitués de composants appelés « discrets » (car chacun ne remplissait qu'une seule fonction), tels que les résistances, les bobines ou les tubes électroniques. Une étape importante fut franchie en 1948, grâce à l'invention, aux États-Unis, par des ingénieurs des Laboratoires Bell, du transistor. Moins gourmand en énergie que son ancêtre, le tube à vide, il est beaucoup plus fiable, adapté à la production en grande série et moins encombrant. Il peut être employé comme amplificateur de signal mais aussi comme interrupteur. Dans ce dernier cas, le courant « passe » ou ne « passe » pas. Cette particularité est intéressante pour le traitement numérique de l'information, fondé sur l'emploi du codage binaire qui utilise les seules valeurs « 0 » et « 1 » pour représenter n'importe quel nombre. Physiquement, le « 0 » correspond à un état où la tension est inférieure à une valeur fixée, le « 1 » à celui où elle lui est supérieure. En associant plusieurs transistors, on peut réaliser des circuits simples, appelés portes, capables d'effectuer certaines opérations, les plus connues étant les « et » et les « ou » de la logique booléenne (des règles logiques permettent de connaître l'état de la « sortie » de la porte en fonction des états, 0 ou 1 toujours, qui lui sont appliqués à son ou ses entrées). De même, on réalise des circuits additionneurs ou de mémorisation en associant plusieurs portes.

Au début de l'électronique, les composants étaient fixés sur des broches et câblés entre eux par des fils. Dans les années 1950 sont apparues les cartes à circuits imprimés, où les fils sont « intégrés » dans la carte qui supporte les composants. Puis les composants eux-mêmes ont été intégrés sur de petites plaques de silicium. Les propriétés de ce matériau sont modifiées par l'ajout volontaire d'impuretés permettant de réaliser des « jonctions » qui formeront des transistors miniaturisés et organisés selon la fonction que l'on désire obtenir.

Techniques de création et de fabrication

À la fin des années 1950, le premier circuit intégré contenait un seul transistor. En 1989, les puces peuvent abriter plusieurs millions de transistors. Cette extraordinaire évolution est due au perfectionnement croissant des méthodes de fabrication et de conception des circuits. Pour concevoir une puce, on définit, tout d'abord, ses caractéristiques. Puis on dessine et on place chacun des composants – chacun des transistors et ses interconnexions – par rapport aux autres. Les circuits intégrés sont aujourd'hui si complexes qu'il est devenu nécessaire de les concevoir sur des ordinateurs (on parle de C.A.O., conception assistée par ordinateur) qui permettent également de simuler le comportement du circuit et de vérifier son fonctionnement. Pour fabriquer le circuit, on transforme tout d'abord le silicium brut, grâce à différents procédés chimiques et physiques, en barres de silicium pur (monocristallin) que l'on découpe en tranches très fines, appelées wafers. Ces tranches, dont le diamètre peut aller jusqu'à vingt centimètres, vont contenir des centaines de circuits intégrés identiques, obtenus par une succession de procédés que l'on peut regrouper en trois grandes étapes : modification des propriétés du silicium par implantation (ou « dopage ») d'impuretés, dépôt d'une couche de produit photosensible qui, insolé à travers un « masque », reproduit les dessins des circuits, et enfin gravure des parties insolées. Les connexions entre les transistors sont réalisées grâce au dépôt de matériau conducteur tel que l'aluminium. À l'issue du processus de fabrication, les circuits sont découpés et encapsulés dans des boîtiers en matière plastique ou en céramique. Toutes ces opérations ne peuvent se dérouler que dans un milieu parfaitement propre : on travaille, ici, sur des éléments d'une taille du millième de millimètre auxquels toute particule de poussière pourrait être fatale. La fabrication des circuits intégrés s'effectue donc dans des salles dites « blanches », à l'atmosphère strictement contrôlée.

Microprocesseurs et circuits associés

La micro-électronique a permis la mise au point de circuits très complexes, de dimensions réduites, d'un faible coût. L'unité centrale des ordinateurs – effectuant calculs et commandes venant du programme – a ainsi été peu à peu miniaturisée pour aboutir au microprocesseur, une puce qui remplace, à elle seule, une carte bardée de dizaines de composants plus simples. Le premier circuit du genre, le 4004, commercialisé par Intel au début des années 1970, a été initialement conçu pour répondre aux besoins d'un fabricant de calculettes. Très simple, il ne savait traiter simultanément que quatre informations binaires (appelées bits). La firme américaine a depuis créé une véritable dynastie de microprocesseurs aux fonctionnalités toujours plus complexes, que les plus grands fabricants de micro-ordinateurs ont utilisés pour bâtir leurs machines. Aujourd'hui, les microprocesseurs savent traiter les informations sur 32, voire 64 bits, et, si leurs performances ne permettent pas encore aux micro-ordinateurs d'offrir des puissances comparables à celle des gros ordinateurs, la distance qui sépare l'informatique de la micro-informatique se réduit tous les jours. Les microprocesseurs ne jouent plus seulement le rôle d'unité centrale : les plus perfectionnés d'entre eux intègrent également des fonctions qui nécessitent, pour d'autres, l'usage de circuits séparés, tels que coprocesseur arithmétique ou unité de gestion de la mémoire. Parallèlement, on a mis au point des circuits capables, tout comme les microprocesseurs, de traiter les informations, mais bénéficiant en supplément d'une mémoire dans laquelle le programme dictant la conduite à tenir est stocké : baptisés microcontrôleurs, ils sont essentiellement utilisés dans des applications industrielles et grand public. Certains microprocesseurs sont désormais bâtis sur une architecture dite RISC (Reduced Instruction Set Computer), qui permet de réaliser des puces puissantes mais aussi plus simples : sur une même surface de silicium, on peut ainsi intégrer encore plus de fonctions.

Circuits standards et circuits spécifiques

La micro-électronique est devenue une industrie si florissante que l'on trouve, dans le catalogue des fabricants, des circuits intégrés capables de réaliser des fonctions analogiques ou numériques éminemment variées. Mais les utilisateurs de ces circuits, les constructeurs de matériels informatiques, industriels, militaires ou grand public, compte tenu de la diversification et de la complexification croissante de leurs produits, ont, de plus en plus, besoin de puces très spécifiques. Les circuits dits « à la demande », autrement dit mis au point et fabriqués pour un seul client, s'ils ne sont pas produits en quantités énormes, coûtent très cher. Les fabricants réalisent donc des circuits à mi-chemin entre le sur-mesure et le prêt-à-porter, des ASIC (Application Specific Integrated Circuit, littéralement « circuit intégré spécifique à une application »), qui font appel à des cellules fonctionnelles standards que l'on choisit dans une véritable « bibliothèque » de fonctions et que l'on assemble selon les impératifs du cahier des charges défini par le client. Certains circuits, dits semi-personnalisés, sont préfabriqués sous la forme de réseaux de portes ou de cellules logiques, câblés ensuite en fonction des besoins du client. Dans tous les cas, la conception assistée par ordinateur est largement mise à contribution pour développer ces circuits, dont les bibliothèques sont de plus en plus utilisées aussi pour la mise au point des composants standards.