Federico Faggin

Des premiers circuits à la physique

Federico Faggin s’intéresse très tôt à l’électronique. Après une formation technique à Vicence, il entre chez Olivetti à seulement 19 ans.

Il travaille alors sur un petit ordinateur utilisant des transistors.

Cette première expérience est importante, car Faggin ne découvre pas l’informatique uniquement à travers les programmes. Il s’intéresse directement à la manière dont des composants électroniques peuvent réaliser les opérations d’un ordinateur.

Il reprend ensuite ses études et obtient en 1965 un diplôme de physique à l’université de Padoue.

Il se spécialise progressivement dans les semi-conducteurs, c’est-à-dire les matériaux comme le silicium qui permettent de fabriquer les transistors et les circuits intégrés.

Après un passage chez SGS-Fairchild en Italie, il part pour les États-Unis.

1968 : la grille de silicium

En 1968, Federico Faggin rejoint Fairchild Semiconductor en Californie.

Il y travaille sur une technologie qui va jouer un rôle essentiel dans l’évolution des circuits intégrés : la technologie MOS à grille de silicium, ou Silicon Gate Technology.

Pour comprendre son importance, il faut revenir au fonctionnement d’un transistor.

Un transistor peut être considéré, de manière simplifiée, comme un interrupteur électronique extrêmement petit. Dans un processeur, des milliers puis des millions de ces interrupteurs sont associés pour réaliser des opérations logiques et des calculs.

L’enjeu est donc simple à formuler : plus on peut fabriquer des transistors petits, rapides et rapprochés, plus on peut intégrer de fonctions dans une même puce.

Dans les transistors MOS, une électrode appelée grille commande le passage du courant.

La technologie développée chez Fairchild utilise une grille réalisée en silicium polycristallin. Surtout, le procédé permet d’aligner très précisément cette grille avec les autres parties du transistor.

On parle alors de grille auto-alignée.

Cette précision permet de réduire certaines dimensions du transistor et d’améliorer les performances des circuits.

Le progrès paraît très spécialisé. Pourtant, il a une conséquence directe sur l’histoire de l’informatique : il devient possible de placer davantage de transistors sur une même puce.

Or, avant de pouvoir fabriquer un microprocesseur, il faut justement être capable d’intégrer suffisamment de transistors dans un seul circuit.

L’expérience acquise par Faggin chez Fairchild devient donc déterminante quelques années plus tard.

1970 : Federico Faggin rejoint Intel

En 1970, Federico Faggin rejoint Intel, une entreprise créée seulement deux ans auparavant.

Intel travaille alors pour la société japonaise Busicom, qui souhaite développer une nouvelle famille de calculatrices électroniques.

À l’origine, Busicom envisage plusieurs circuits spécialisés. Chaque circuit doit prendre en charge une partie particulière du fonctionnement de la calculatrice.

Des ingénieurs d’Intel, notamment Ted Hoff et Stanley Mazor, proposent une approche différente.

Plutôt que de fabriquer un circuit différent pour chaque fonction, pourquoi ne pas créer un processeur programmable ?

L’idée change profondément la logique du système.

Avec un circuit spécialisé, la fonction est déterminée par le matériel.

Avec un processeur programmable, le même matériel peut effectuer des tâches différentes selon les instructions du programme qu’il exécute.

Il reste cependant un problème majeur : transformer cette idée en circuits réellement fabricables.

C’est précisément pour cela que Federico Faggin est recruté.

Grâce à son expérience des technologies MOS et de la grille de silicium, il prend en charge la réalisation du nouvel ensemble de circuits, appelé MCS-4.

Il travaille notamment avec l’ingénieur japonais Masatoshi Shima, envoyé par Busicom.

Au centre de cet ensemble se trouve un composant appelé à devenir historique : l’Intel 4004.

1971 : le processeur tient sur une puce

En 1971, Intel commercialise le 4004.

L’Intel 4004 est généralement considéré comme le premier microprocesseur commercial réunissant l’unité de traitement sur une seule puce.

Il fonctionne sur 4 bits et contient environ 2 300 transistors.

Aujourd’hui, ce nombre paraît minuscule. Un processeur moderne en contient plusieurs milliards.

Mais l’importance du 4004 ne réside pas dans sa puissance.

Elle réside dans son principe.

Avant le microprocesseur, l’unité centrale d’un ordinateur nécessite de nombreux composants répartis sur plusieurs circuits ou plusieurs cartes électroniques.

Avec le 4004, les principales fonctions de calcul et de contrôle du processeur sont rassemblées dans un seul circuit intégré programmable.

Cela change considérablement la manière de construire une machine.

Un fabricant peut désormais utiliser un microprocesseur produit en série, lui ajouter de la mémoire et des circuits d’entrées-sorties, puis programmer l’ensemble pour répondre à ses besoins.

Le processeur devient ainsi un composant généraliste.

Le 4004 n’est pas encore le processeur d’un ordinateur personnel. Il a d’abord été conçu pour des calculatrices.

Cependant, il démontre quelque chose d’essentiel : un processeur complet peut désormais tenir sur une puce de silicium.

1972 : du 4 bits au 8 bits

L’étape suivante consiste à rendre le microprocesseur plus adapté à des usages informatiques généraux.

En 1972, Intel commercialise l’Intel 8008.

Contrairement au 4004, qui traite principalement des données par groupes de 4 bits, le 8008 fonctionne sur 8 bits.

Cette différence est importante.

Avec 8 bits, un processeur peut manipuler directement 256 valeurs différentes. Il devient notamment beaucoup plus pratique pour traiter des caractères, des nombres et des données utilisées par un ordinateur généraliste.

Le 8008 possède encore de nombreuses limitations. Son espace mémoire est réduit et son boîtier à 18 broches complique la connexion avec les autres composants.

Pourtant, il démontre qu’un microprocesseur peut désormais devenir le cœur d’un véritable ordinateur.

La France fournit d’ailleurs un exemple particulièrement intéressant.

En 1973, la société R2E construit le Micral N autour de l’Intel 8008.

Le microprocesseur commence ainsi à sortir du domaine des calculatrices et des systèmes spécialisés.

1974 : l’Intel 8080

En 1974, Intel franchit une nouvelle étape avec l’Intel 8080.

Federico Faggin joue un rôle central dans son développement.

Le 8080 est toujours un processeur 8 bits, mais il est beaucoup mieux adapté à la construction d’un ordinateur généraliste.

Il peut notamment adresser jusqu’à 64 Ko de mémoire.

Pourquoi cette capacité est-elle importante ?

Un processeur ne travaille pas seul. Il doit pouvoir accéder à une mémoire contenant les instructions de ses programmes et les données qu’ils manipulent.

Plus l’espace mémoire accessible est important, plus les programmes peuvent devenir complexes.

Avec 64 Ko, le 8080 offre donc aux concepteurs de micro-ordinateurs un espace beaucoup plus confortable que celui des générations précédentes.

Il devient dès lors possible de construire autour du microprocesseur une véritable machine programmable disposant de mémoire, d’un terminal, de périphériques et bientôt de systèmes d’exploitation.

Du 8080 à l’Altair 8800

Le potentiel du 8080 apparaît clairement avec l’Altair 8800, présenté au milieu des années 1970.

Cette machine est construite autour d’un Intel 8080.

L’Altair est important parce qu’il montre qu’un ordinateur utilisant un microprocesseur peut désormais être vendu à un prix accessible à des passionnés et à de petites entreprises.

Autour de ces nouvelles machines apparaît progressivement tout un écosystème.

Des fabricants proposent des cartes mémoire et des périphériques. Des programmeurs écrivent des langages et des logiciels. Des systèmes d’exploitation comme CP/M permettent d’utiliser plusieurs programmes sur différentes machines partageant une architecture proche.

Le microprocesseur n’est donc plus simplement une innovation électronique.

Il devient le centre d’une nouvelle industrie informatique.

1974 : la création de Zilog

À la fin de l’année 1974, Federico Faggin quitte Intel.

Avec Ralph Ungermann, il fonde Zilog.

Le choix est révélateur de l’importance prise par le microprocesseur.

Quelques années auparavant, le processeur n’était qu’un ensemble complexe de circuits destiné aux ordinateurs. Désormais, une entreprise peut être créée spécialement pour concevoir et commercialiser des microprocesseurs.

Federico Faggin veut aller plus loin que l’Intel 8080.

Son objectif est de produire un processeur plus complet tout en conservant une forte compatibilité avec les logiciels déjà écrits pour le 8080.

Cette compatibilité est essentielle.

Les utilisateurs et les entreprises commencent en effet à disposer de programmes conçus pour les processeurs Intel. Un nouveau processeur capable d’exécuter ces programmes peut donc profiter immédiatement d’un écosystème logiciel existant.

Le projet donne naissance au Zilog Z80.

1976 : le Zilog Z80

En 1976, Zilog commercialise le Zilog Z80.

Le processeur est développé sous la direction de Federico Faggin avec une petite équipe dans laquelle Masatoshi Shima joue de nouveau un rôle important.

Le Z80 est un processeur 8 bits largement compatible avec le logiciel écrit pour l’Intel 8080.

Cependant, il ne se contente pas de reproduire son prédécesseur.

Il ajoute de nouveaux registres, davantage d’instructions et une gestion plus élaborée des interruptions.

Il simplifie également l’utilisation de certaines mémoires.

Pour comprendre cet avantage, il faut savoir que les mémoires DRAM utilisées dans de nombreux ordinateurs doivent être régulièrement rafraîchies.

Une cellule de mémoire dynamique stocke une information sous la forme d’une petite charge électrique. Cette charge diminue progressivement. Sans rafraîchissement périodique, l’information finit donc par disparaître.

Un ordinateur doit par conséquent relire ou réactiver régulièrement les cellules de mémoire.

Le Z80 intègre un mécanisme facilitant ce rafraîchissement. Le constructeur de l’ordinateur a alors besoin de moins de circuits électroniques supplémentaires.

Ce détail technique contribue à rendre la conception des machines plus simple et moins coûteuse.

Le Z80 au cœur de la micro-informatique

Le succès du Z80 est considérable.

Il équipe d’abord de nombreux systèmes professionnels utilisant notamment CP/M. Puis il devient l’un des processeurs emblématiques de la micro-informatique familiale.

On le retrouve dans de nombreuses machines, parmi lesquelles les ZX Spectrum, certains ordinateurs MSX, les Amstrad PCW et la gamme Amstrad CPC.

Un processeur conçu en 1976 reste ainsi largement utilisé durant les années 1980.

Cette longévité s’explique notamment par son coût, ses performances, son jeu d’instructions et l’écosystème logiciel compatible avec l’architecture du 8080.

Le parcours de Federico Faggin rejoint alors directement l’histoire de l’informatique personnelle.

En quelques années, il est passé du développement d’une technologie permettant de fabriquer de meilleurs transistors à la conception de processeurs présents dans des millions de machines.

Après Zilog : Synaptics

Federico Faggin quitte ensuite Zilog et participe à plusieurs nouvelles entreprises technologiques.

Il fonde notamment Cygnet Technologies, puis cofonde Synaptics en 1986.

Synaptics travaille sur les interfaces entre l’être humain et l’ordinateur.

L’entreprise contribuera notamment au développement des pavés tactiles, ou touchpads, qui deviendront courants sur les ordinateurs portables.

À première vue, ce domaine semble très différent du microprocesseur.

Pourtant, une continuité apparaît.

Avec les circuits intégrés et les microprocesseurs, Federico Faggin participe à la miniaturisation du calcul. Avec Synaptics, il travaille sur la manière dont l’utilisateur peut interagir plus simplement avec cette puissance de calcul.

Pourquoi Federico Faggin est important

Federico Faggin n’est pas simplement « l’inventeur du 4004 ».

Cette formule serait trop réductrice, car la naissance du premier microprocesseur commercial résulte du travail de plusieurs ingénieurs, notamment Ted Hoff, Stanley Mazor, Masatoshi Shima et Federico Faggin.

Son importance vient plutôt de la continuité exceptionnelle de son parcours.

Il intervient à plusieurs niveaux essentiels :

• la technologie de fabrication des transistors MOS ;
• la mise au point de la grille de silicium auto-alignée ;
• la réalisation du Intel 4004 ;
• le développement des premières générations de microprocesseurs Intel ;
• le développement de l’Intel 8080 ;
• la fondation de Zilog ;
• la conception du Z80 ;
• puis le développement de nouvelles interfaces avec Synaptics.

Son histoire permet surtout de comprendre qu’un microprocesseur ne naît pas seulement d’une bonne architecture.

Il faut d’abord savoir fabriquer des transistors suffisamment petits. Il faut ensuite réussir à en placer des milliers sur une même puce, concevoir les circuits logiques qui les relient, définir les instructions du processeur et enfin fabriquer le composant de manière fiable et industrielle.

Federico Faggin se situe précisément à la rencontre de ces différents domaines.

C’est cette capacité à relier la physique des semi-conducteurs, la conception des circuits et l’architecture informatique qui explique sa place majeure dans l’histoire du microprocesseur et de la micro-informatique.