Le circuit intégré

Le transistor ne résout pas tous les problèmes

L’invention du transistor en 1947 permet de construire des ordinateurs plus petits, plus fiables et moins gourmands en énergie que ceux utilisant des tubes à vide.

Mais les transistors restent des composants individuels. Il faut encore les associer à des résistances, des condensateurs ou des diodes, puis relier tous ces éléments par des pistes, des fils et des soudures.

À mesure que les machines deviennent plus complexes, le nombre de connexions augmente et chacune constitue un point potentiel de panne. L’étape suivante consiste donc à fabriquer plusieurs composants et leurs connexions comme un seul ensemble.

Geoffrey Dummer imagine un circuit dans un seul bloc

En 1952, l’ingénieur britannique Geoffrey Dummer décrit la possibilité de construire un circuit dont les différents éléments seraient réalisés dans un même bloc de matériau.

L’idée est déjà celle du circuit intégré : plutôt que de fabriquer séparément transistor, résistance ou condensateur puis de les assembler, il faudrait pouvoir créer plusieurs fonctions électroniques directement dans le même matériau.

La technologie ne permet cependant pas encore de réaliser facilement cette idée.

Jack Kilby réalise le premier circuit intégré fonctionnel

En 1958, l’ingénieur américain Jack Kilby, chez Texas Instruments, cherche précisément à réduire le nombre de composants séparés nécessaires à un circuit.

Le 12 septembre 1958, il présente un petit circuit réalisé sur un même morceau de germanium. Plusieurs fonctions électroniques y sont intégrées et le dispositif fonctionne comme un oscillateur, c’est-à-dire qu’il produit un signal électrique périodique.

Kilby démontre ainsi le principe fondamental du circuit intégré : plusieurs éléments d’un circuit peuvent être fabriqués dans un même morceau de matériau semi-conducteur.

Son prototype reste cependant rudimentaire. Certaines connexions entre les éléments doivent encore être réalisées à l’aide de très fins fils métalliques. Cette méthode fonctionne pour quelques composants, mais deviendrait vite impraticable à grande échelle.

Il reste donc à intégrer également les connexions directement sur la puce.

Jean Hoerni et Robert Noyce rendent l’intégration industrialisable

Chez Fairchild Semiconductor, le physicien suisse Jean Hoerni développe en 1959 le procédé planaire.

Cette technique utilise notamment une fine couche de dioxyde de silicium à la surface du silicium. Cette couche protège certaines zones tandis que des ouvertures permettent de travailler précisément sur d’autres parties du matériau.

Le procédé améliore la fiabilité des transistors et permet surtout de fabriquer plusieurs composants depuis la même face d’une tranche de silicium.

Robert Noyce comprend alors qu’il est possible de déposer des pistes métalliques sur la couche isolante afin de relier directement les différents composants.

Le 30 juillet 1959, il dépose une demande de brevet décrivant cette architecture.

Le progrès est décisif : les composants et leurs connexions peuvent désormais être fabriqués sur une même puce de silicium.

En mai 1960, une équipe de Fairchild dirigée par Jay Last réalise des circuits intégrés monolithiques fonctionnels utilisant ce principe.

Kilby ou Noyce : qui a inventé le circuit intégré ?

Il serait réducteur de chercher un inventeur unique.

Jack Kilby démontre en 1958 qu’il est possible d’intégrer plusieurs fonctions électroniques dans un même morceau de semi-conducteur.

Robert Noyce propose en 1959 une architecture permettant également d’intégrer les connexions métalliques sur la puce, en s’appuyant sur le procédé planaire de Jean Hoerni.

Kilby et Noyce sont donc généralement considérés comme les deux principaux co-inventeurs du circuit intégré, avec des contributions différentes et complémentaires.

En 2000, Jack Kilby reçoit une partie du prix Nobel de physique pour sa contribution à l’invention du circuit intégré. Robert Noyce, mort en 1990, ne pouvait pas recevoir cette distinction à titre posthume.

Comment fabrique-t-on un circuit intégré ?

La fabrication moderne est extrêmement complexe, mais son principe général reste compréhensible.

On commence par produire un cristal de silicium très pur, découpé en fines tranches circulaires appelées wafers.

À leur surface, différentes opérations permettent de modifier localement les propriétés électriques du silicium, de déposer des couches isolantes et de créer des motifs microscopiques grâce à la photolithographie.

Des couches métalliques réalisent ensuite les connexions entre les composants.

L’intérêt majeur est que les transistors ne sont plus fabriqués puis assemblés un par un : un très grand nombre de structures sont réalisées simultanément sur le wafer.

Celui-ci est finalement découpé en petites parties. Chacune constitue une puce, ou die, généralement placée dans un boîtier permettant de la connecter au reste du circuit électronique.

Pourquoi le circuit intégré change-t-il l’électronique ?

Le circuit intégré apporte plusieurs avantages essentiels.

Il permet d’abord une forte miniaturisation. Des composants qui occupaient auparavant une partie importante d’une carte électronique peuvent être regroupés sur une surface minuscule.

Il améliore aussi la fiabilité, car une grande partie des connexions est fabriquée directement dans la puce, ce qui réduit le nombre de fils et de soudures.

Enfin, plusieurs circuits peuvent être fabriqués simultanément sur un même wafer, ce qui ouvre la voie à une production en série et surtout à une augmentation rapide de la complexité des circuits.

Les programmes militaires et spatiaux accélèrent son adoption

Au début des années 1960, les circuits intégrés restent coûteux. Les transistors individuels sont encore moins chers pour de nombreuses applications.

Mais leur faible encombrement, leur faible masse et leur consommation réduite intéressent particulièrement les secteurs militaire et spatial.

L’un des exemples les plus célèbres est l’Apollo Guidance Computer, utilisé pour la navigation et le guidage des missions Apollo. Sa conception fait appel à des circuits intégrés fabriqués notamment par Fairchild Semiconductor.

Les programmes spatiaux contribuent ainsi au développement industriel d’une technologie encore récente, avant sa diffusion dans l’informatique commerciale.

De quelques transistors à des milliers

Les premiers circuits intégrés ne contiennent que quelques composants. Mais les progrès de la photolithographie, du dopage et de la fabrication permettent rapidement d’en placer davantage sur une même surface.

Au cours des années 1960, les circuits intégrés réalisent des fonctions de plus en plus complexes : portes logiques, bascules, compteurs, registres, additionneurs ou mémoires.

On parle progressivement de SSI (Small-Scale Integration), de MSI (Medium-Scale Integration) puis de LSI (Large-Scale Integration). Les limites entre ces catégories varient selon les époques, mais elles traduisent toutes la même évolution : intégrer toujours davantage de transistors dans une seule puce.

Du circuit intégré au microprocesseur

À mesure que le nombre de transistors intégrables augmente, les puces peuvent réaliser des fonctions de plus en plus complexes.

L’étape suivante consiste à réunir sur une seule puce les principales fonctions de l’unité de traitement d’un ordinateur.

En 1971, Intel commercialise le 4004, généralement considéré comme le premier microprocesseur commercialisé. Il contient environ 2 300 transistors.

L’évolution peut ainsi être résumée :

tube à vide → transistor → circuit intégré → microprocesseur.

Le circuit intégré change donc profondément la construction des ordinateurs : la complexité n’est plus obtenue uniquement en ajoutant des composants physiques, mais en intégrant toujours davantage de fonctions à l’intérieur de la puce.

Repères chronologiques

• 1947 : invention du transistor aux Bell Labs.
• 1952 : Geoffrey Dummer décrit l’idée d’un circuit électronique réalisé dans un même bloc de matériau.
• 12 septembre 1958 : Jack Kilby démontre chez Texas Instruments un premier circuit intégré fonctionnel sur germanium.
• 1959 : Jean Hoerni développe chez Fairchild Semiconductor le procédé planaire.
• 30 juillet 1959 : Robert Noyce dépose sa demande de brevet sur une architecture intégrant notamment les connexions métalliques.
• mai 1960 : l’équipe de Jay Last réalise chez Fairchild des circuits intégrés monolithiques fonctionnels.
• début des années 1960 : les programmes militaires et spatiaux favorisent l’adoption des circuits intégrés.
• 1965 : Gordon Moore décrit la croissance rapide du nombre de composants intégrables sur une puce.
• 1971 : Intel commercialise le 4004, généralement considéré comme le premier microprocesseur commercialisé.

Sources

• Jack S. Kilby, Turning Potential into Realities: The Invention of the Integrated Circuit, conférence Nobel, 2000.
• Computer History Museum, archives consacrées à Jack Kilby et à la naissance du circuit intégré.
• Computer History Museum, travaux consacrés au procédé planaire de Jean Hoerni.
• Robert N. Noyce, brevet américain Semiconductor Device-and-Lead Structure, demande déposée le 30 juillet 1959.
• Computer History Museum, archives consacrées aux premiers circuits intégrés monolithiques de Fairchild Semiconductor.
• NASA et Computer History Museum, archives consacrées à l’Apollo Guidance Computer.
• Gordon E. Moore, Cramming More Components onto Integrated Circuits, Electronics, 1965.