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La microélectronique

La révolution technologique


40 ans de progrès continus et de nouveaux produits et services déterminent l’ère de la miniaturisation.

Publié le 1 septembre 2010

Toujours plus puissantes et moins chères, les puces électroniques pourront-elles continuer à se miniaturiser ?


Démocratiser la microélectronique

La microélectronique n’est pas un métier établi et stabilisé : le nombre de transistors par unité de surface quadruple tous les trois ans, et le coût des circuits est divisé par deux tous les 18 mois environ, notamment grâce à la fabrication collective de centaines de puces sur chaque plaquette de silicium.
Cette courbe de croissance des performances avait été décrite dès 1965 par Gordon Moore, cofondateur de la société Intel. Elle s’est confirmée avec une telle exactitude qu’elle est devenue la « loi de Moore » pour tous les industriels du secteur, qui s’en inspirent pour planifier des années à l’avance leurs investissements et leurs programmes de recherche.
Car pour tenir ce rythme, il faut sans cesse tout remettre en cause : les matériaux utilisés pour les circuits, les connexions électriques et les isolants ; les architectures des circuits, qui représentent un élément déterminant de la performance finale ; les machines de production, dont certaines coûtent plusieurs millions d’euros ; la taille des tranches de silicium sur lesquelles les circuits sont réalisés (200 mm, puis 300 mm), et avec elles toutes les méthodes de fabrication.

Loi de Moore

La microélectronique, grâce à sa miniaturisation et à ses hautes performances, permet de nouvelles applications.
Observation au microscope optique d’une plaque de silicium
Observation au microscope optique
d’une plaque de silicium. © CEA
puce à ADN
Puce à ADN. © CEA
accéléromètreAccéléromètre © CEA

Loi de Moore

© Yuvanoe/CEA


Pour suivre cette course à la performance, l’indicateur le plus significatif est la finesse de gravure. Elle était exprimée initialement en microns (millionièmes de mètre) : 0,25 micron, puis 0,18 micron, puis 0,13 micron… Depuis le début des années 2000, l’unité la plus utilisée est le nanomètre (milliardième de mètre). Un site de production comme celui de Crolles fabrique des circuits de 90 nm, soit des gravures 1 000 fois plus fines que l’épaisseur d’un cheveu. Ces prouesses technologiques ont permis la chute des coûts, l’envolée des performances et la démocratisation de la microélectronique, avec deux conséquences : des puissances de calcul toujours accrues, des nouveaux produits et services pour le grand public.

ENIAC, le premier ordinateur

ENIAC, le premier ordinateur © CEA


Sur un circuit en technologie 90 nm, les gravures sont mille fois plus fines que l’épaisseur d’un cheveu.

tera-100.jpg
Vue générale de la salle de calcul de Tera100. © P. Stroppa/CEA

Des calculs plus complexes, pour concevoir, simuler, modéliser...

Les scientifiques de l’après-guerre effectuaient leurs calculs sur des ordinateurs qui occupaient des pièces entières, et dont la performance ne dépassait pas celle d’une calculette d’aujourd’hui. Ceux de ce début de XXIe siècle disposent de supercalculateurs dont la performance atteint le pétaflop. Les progrès des circuits intégrés expliquent ce saut gigantesque, qui a ouvert des possibilités nouvelles :

  • la conception de produits ou de systèmes complexes : elle peut s’effectuer entièrement sur ordinateur. En fonction des conditions d’utilisation prévues, la machine calcule le comportement des matériaux, les dimensions des composants, leur agencement dans l’espace, et trace les plans.
  • la modélisation de phénomènes : le comportement d’un avion de ligne dans des turbulences ou l’évolution de la météo sur cinq jours dépendent d’une multitude de paramètres. Ils peuvent être modélisés, c’est-à-dire représentés par une série d’opérations complexes dont le résultat est très voisin du phénomène réel.
  • la simulation numérique : il s’agit cette fois de faire « tourner » les modèles, en indiquant par exemple le poids de l’avion, sa vitesse, la force et la direction des turbulences ; l’ordinateur prédit alors son comportement en vol. En conception, la simulation numérique permet par exemple de « tester » un moteur avant de réaliser un prototype : comment tiendra-t-il à l’échauffement, aux vibrations de la route ou à des chocs ?


ReportageTera 100
  • Tera 100
    Vues générales de la salle de calcul de Tera 100.
    Crédits photo : P.Stroppa/CEA / Date : 29 juillet 2011 / Lieu : CEA / DAM - Ile de France
    Tera 100Afficher en plein écran
  • Vue des disques
    L’ensemble de la machine Tera 100 est doté d’une capacité de disques de 20 pétaoctets (Po).
    Crédits photo : P.Stroppa/CEA / Date : 29 juillet 2011 / Lieu : CEA / DAM - Ile de France
    Vue des disquesAfficher en plein écran
  • Interconnexion
    Switch Ethernet assurant l’interconnexion entre les baies de calcul de Tera 100.
    Crédits photo : P.Stroppa/CEA / Date : 29 juillet 2011 / Lieu : CEA / DAM - Ile de France
    InterconnexionAfficher en plein écran
  • Façades des calculateurs de Tera 100
    La conception graphique de Tera 100 est signée Bull.
    Crédits photo : P.Stroppa/CEA / Date : 29 juillet 2010 / Lieu : CEA / DAM - Ile de France
    Façades des calculateurs de Tera 100Afficher en plein écran




Des produits grand public plus performants offrent plus de fonctions, ils sont moins encombrants et moins chers.


Des produits et services innovants

La puissance de calcul des circuits intégrés permet de proposer au grand public des équipements performants, faciles à utiliser et riches en fonctions : téléphone mobile, lecteur DVD, télévision numérique, appareil photo numérique, carte bancaire… En effet, les puces gèrent à la fois les fonctions de calcul et les interfaces (clavier, afficheur, prise USB…) qui rendent l’utilisation simple et intuitive.
De plus, l’encombrement et le prix des produits diminuent régulièrement : le consommateur est gagnant sur tous les tableaux.
Le téléphone mobile offre une parfaite illustration de ce phénomène. Les premiers appareils, fort encombrants, ne savaient « que » téléphoner. Les plus récents, ultra légers, proposent des jeux, des prises de vues haute définition, la connexion à Internet, pour un prix équivalent ou inférieur. Il faut noter enfin que la plupart des appareils comportent non pas un, mais plusieurs circuits intégrés (microprocesseurs, mémoires) dont l’association bien pensée contribue aux ­performances de l’ensemble.