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La microélectronique

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Publié le 22 septembre 2016

La microélectronique désigne l’ensemble des technologies de fabrication de composants qui utilisent des courants électriques pour transmettre, traiter ou stocker des informations. Les technologies de la microélectronique sont, en grande partie, à l’origine des formidables progrès réalisés ces dernières décennies dans le domaine entres autres de l’informatique, des télécommunications et de l’imagerie.

La microélectronique : Une technologie issue de la physique

Au commencement était l’électronique, discipline née de la physique et dédiée à la manipulation des signaux électriques. L’électronique permet, au moyen de divers éléments appelés « composants », de construire des appareils capables de gérer ces signaux électriques dans le but de transmettre ou de recevoir des informations. L’émission d’ondes radio à des fins de communication en fut l’une des premières applications.

La découverte des matériaux semi-conducteurs et l’invention du transistor, au début des années 60, a véritablement lancé la miniaturisation des composants électroniques et l’essor de la microélectronique. Parallèlement, le passage du signal analogique (à variation continue) au signal numérique (codé en une succession de 0 et de 1) a facilité le développement de circuits électroniques aux fonctions de plus en plus performantes.

Le « bestiaire » des composants

De la résistance au transistor, du circuit intégré au microprocesseur en passant par les convertisseurs ou les diodes électroluminescentes (Leds)… les composants de la microélectronique, familièrement appelé « puces » (ou chip en anglais), sont extrêmement nombreux. Ils forment un étonnant bestiaire remplissant des fonctions extrêmement variées.

Parmi les centaines de composants microélectroniques existants, on peut relever par exemple, parmi les plus célèbres :

  • Une diode désigne un dispositif fabriqué à l’aide de matériaux semi-conducteurs laissant passer le courant électrique dans un seul sens, le bloquant dans l’autre. Il existe de nombreuses variétés de diodes, selon les propriétés des matériaux utilisés. Les diodes électroluminescentes (Leds), sont désormais largement utilisées pour produire de la lumière en consommant très peu d’énergie.

  • Un transistor (transfer resistor) est un composant semi-conducteur qui permet de contrôler un courant électrique (l’interrompre, l’amplifier ou le moduler). Il a supplanté rapidement le tube électronique : démarrant quasi instantanément, sans temps de chauffe, beaucoup plus petit et léger. Il a pu être fabriqué industriellement dès les années 50.

  • Un circuit électronique est un assemblage de composants. Il est appelé circuit imprimé lorsqu’il est fabriqué par dépôt de matériaux conducteurs (exemple : le cuivre) sur des matériaux isolants (exemple : l’époxy) comme dans le cas de la carte mère des ordinateurs.  Il est appelé circuit intégré parce qu’il rassemble, à l’intérieur d’un même boîtier, plusieurs composants permettant de réaliser différentes fonctions.

  • Un processeur est un système électronique dédié au calcul. Il est composé de plusieurs circuits intégrés et transistors câblés sur un circuit imprimé.

  • Un microcontrôleur est un processeur spécialisé pour la commande d’appareils électromécaniques (exemple : une machine à laver). 

  • Un microprocesseur est un processeur miniaturisé composé d’un seul circuit intégré. Réalisés par gravure sur une surface de silicium, les premiers microprocesseurs rassemblaient quelques centaines de composants électroniques. Les microprocesseurs actuels concentrent plusieurs milliards de transistors et sont capables d’effectuer simultanément un très grand nombre d’opérations de calcul.

  • Une mémoire électronique est une variété de circuit intégré dédiée à la conservation de l’information numérique (programmes, données,...). Présentes dans la plupart des appareils électroniques – ordinateur, smartphone, GPS, consoles de jeux, etc. – les mémoires existent sous différentes formes : vive, morte, volatile…

Disque dur 

D​isque dur © Pictarena - Fotolia.com



Des composants de plus en plus petits, de moins en moins chers…

Durant les années 70, Gordon Moore, fondateur de la société américaine Intel et inventeur du premier microprocesseur (Intel 4004, en 1971), prédit que le nombre de transistors présents dans les microprocesseurs continuerait de doubler tous les 18 mois. Autrement dit, la puissance de calcul de ces composants allait continuer de doubler pour une même surface ! Cette prédiction qui prit le nom de « Loi de Moore », n’a quasiment pas été démentie jusqu’à ce jour.

Depuis près d’un demi-siècle, les chercheurs et les industriels de la microélectronique suivent donc scrupuleusement une « feuille de route » (roadmap) qui établit avec précision des objectifs de réduction de taille des transistors. Les progrès constants qu’ils ont réalisés, associés à une production massive de ces composants, ont permis de réduire radicalement les coûts des composants microélectroniques et donc de tous les produits ayant recours à ces composants : ordinateurs, smartphone, téléviseurs, caméras, appareils photos, etc.


La microélectronique, support de la « révolution numérique »

La miniaturisation et la réduction des coûts ont permis aux fabricants de proposer régulièrement de nouveaux  produits moins chers et plus performants. Ainsi, votre smartphone dispose aujourd’hui d’une puissance de calcul équivalente à celle des très gros ordinateurs des années 80, qui tenaient à peine dans une pièce de plusieurs dizaines de mètres carrés !

La quantité d’informations stockées sur une puce électronique a progressé au même rythme que celui des autres composants. Associée aux progrès des sciences de l’information – langages de programmation, codes de calculs,... – les composants microélectroniques constituent le « socle » physique (hardware) sur lequel fonctionnent toutes les applications informatiques (software).

Cette évolution accélérée des capacités de traitement et de stockage des informations numériques a favorisé le développement d’applications logicielles de plus en plus complexes, capables de manipuler d’abord uniquement texte, puis des images, des vidéos,... La révolution actuelle du « Big Data », qui manipule d’énormes quantités de données informatisées, découle donc directement des progrès de la microélectronique.


Des procédés de fabrication
d'une grande complexité

Si les puces électroniques se retrouvent aujourd'hui dans de très nombreux objets de la vie quotidienne, c'est qu'elles sont fabriquées en grande série : des milliards de composants pour une seule série. Cette production nécessite des infrastructures et des équipements très coûteux et font appel à des technologies d'une extrême complexité.

Les puces sont gravées sur des disques de silicium (un matériau semi-conducteur particulièrement abondant et adapté à la manipulation des électrons) dont la taille a augmenté au cours des dernières décennies : 50, 100, puis 200 millimètres,  leur diamètre est aujourd'hui de 300 millimètres. Chaque changement de format a permis de réaliser d'énormes gains de productivité mais nécessité des investissements de plus en plus considérables.

Infographie sur la fabrication d'une puce électronique


Aujourd'hui, seules quelques grandes usines de microélectronique à travers le monde sont capables de produire – à des coûts compétitifs – les microprocesseurs de nos smartphone et de nos ordinateurs. Ces usines produisent 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7, dans un environnement ultra contrôlé et robotisé à l'extrême pour réduire le risque d'agitation de poussières. En effet, la moindre particule de poussière pourrait ruiner toute une production et générer des dizaines de milliers de dollars de pertes.


Salle blanche 

Salle blanche où sont fabriquées les puces électroniques © Pierre Jayet/CEA



De la microélectronique
à la nanoélectronique

La course à la miniaturisation conduit les chercheurs à concevoir puis produire, par étapes successives,  des transistors dont la finesse de gravure se compte aujourd’hui en nanomètres (milliardièmes de mètres) soit la dimension de quelques atomes. Cette réduction d’échelle amène donc à parler désormais de nanoélectronique

Régulièrement, de nouveaux records sont établis. Ainsi, en 2015 la société IBM est parvenue à graver un transistor expérimental de 7 nanomètres. A chaque étape, une fois la démonstration de faisabilité obtenue, l’enjeu consiste à développer tout le processus industriel  permettant de produire ces puces à grande échelle.

VidéoLes MEMS, ils sont partout !

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Notions clés

  • La microélectronique est apparue dans les années 60 avec la découverte des matériaux semi-conducteurs.

  • les composants microélectroniques constituent le « socle » physique (hardware) sur lequel fonctionnent toutes les applications informatiques (software).










Caractérisation d'une LED bleue sous pointe pour l'éclairage.
Caractérisation d'une LED bleue sous pointe pour l'éclairage. © Patrick Avavian/CEA







Circuit électronique
Circuit électronique © Gérard Cottet/CEA





Emulateur de microprocesseurs multi-cœurs.
Emulateur de microprocesseurs multi-cœurs. © CEA/Leti













































Big data
Big data © Zerbor - Fotolia.com























plaque-silicium-300mm.jpg
Focus sur une plaque de silicium de 300 mm © Pierre Jayet/CEA