Dossier | Micro & nanotechnologies | La microélectronique
La révolution technologique (1/4)
Téléphones mobiles, appareils photo numériques, baladeurs, micro-ordinateurs, consoles de jeux, cartes bancaires, automobiles : en quelques décennies, les circuits intégrés ou « puces » ont conquis la plupart de nos objets quotidiens.
Cette invasion n’a pas de précédent dans l’histoire des technologies. Elle s’explique par le rythme d’innovation accéléré de l’industrie microélectronique : celle-ci n’a cessé de produire des transistors plus petits, donc des circuits intégrés plus puissants et plus performants.
En 1971, le processeur 4004 d’Intel contenait quelque 2 300 transistors. En 2006, la perspective de puces à 1 milliard de transistors se rapproche. Cet extraordinaire condensé d’intelligence coûte de moins en moins cher : en 1973, il fallait débourser le prix d’un appartement pour fabriquer 1 million de transistors ; aujourd’hui, le prix d’un post-it.
Pourtant, l’horizon de l’industrie microélectronique est loin d’être dégagé. Celle-ci atteindra bientôt des dimensions où les transistors seront extrêmement difficiles à fabriquer et à faire fonctionner. Un seul exemple : l’épaisseur de certains isolants (oxydes) pourrait ne pas dépasser 1,5 nm, soit 4 à 5 molécules d’oxyde !
Des programmes de recherche accompagnés de lourds investissements mobilisent les -industriels, les laboratoires de recherche et les -institutionnels. Ceci, notamment, dans la région grenobloise, pôle de microélectronique -d’envergure mondiale. Elle accueille le Léti (Laboratoire d’électronique et de technologie de l’information) du CEA, et le site de Crolles où ST Microelectronics, Philips et Freescale unissent leurs efforts. Enfin, depuis 2006, Grenoble regroupe 4 000 personnes au sein de Minatec, principal pôle européen d’innovation en micro et nanotechnologies.
Mis à jour en août 2007
La microélectronique
- La révolution technologique
- Un peu d'histoire
- Comment fabrique-t-on les circuits intégrés ?
- La nanoélectronique
40 ans de progrès continus et de nouveaux produits et services déterminent l’ère de la miniaturisation.
DEMOCRATISER LA MICROELECTRONIQUE
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.
la largeur des motifs sculptés dans le silicium.
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.
DES CALCULS PLUS COMPLEXES, POUR CONCEVOIR, SIMULER, MODELISER…
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 téraflop. 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 ?
ARCHITECTURE INTERNE D’UN BALADEUR MP3
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, baladeur MP3, 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.