Les premiers ordinateurs occupaient des bâtiments entiers et leur puissance de calcul était des millions de fois inférieure à celle des appareils compacts et bon marché d'aujourd'hui. Cet état de fait résultait non seulement du faible rendement des composants de l'époque, mais aussi du fait qu'un seul grand élément ne pouvait gérer qu'une seule tâche. L'avancée la plus importante vers la miniaturisation des appareils électroniques fut l'invention du circuit intégré.
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Le premier circuit intégré. Quelles étaient les applications des circuits les plus anciens ?
La première tentative de création d'un circuit intégré remonte à la fin des années 1940, réalisée par Geoffrey Dummer. S'il a réussi à poser les bases théoriques de telles solutions, il n'a pas créé le circuit lui-même. Cependant, des projets menés indépendamment par deux chercheurs sous l'égide de deux entreprises différentes – Jack Kilbie de Texas Instruments et Robert Noyce de Fairchild Semiconductor – ont été couronnés de succès.
Le premier circuit présenté – en 1958 – fut un circuit créé par Kilby, considéré comme le créateur de cette invention (il reçut le prix Nobel 42 ans plus tard). Son boîtier contenait plusieurs transistors et autres éléments, lui permettant d'effectuer des tâches auparavant réparties sur de nombreux composants, et l'alimentation était commune à tous. Au début, les circuits intégrés étaient produits avec un objectif strictement défini. Les dispositifs de l'époque fonctionnaient, entre autres, comme bascules, amplificateurs ou systèmes informatiques (SSI – Small Scale Integration). Avec le développement de cette technologie, les circuits intégrés ont également pu être utilisés comme composants plus complexes – décodeurs, compteurs ou registres (MSI – Medium Scale Integration).
Microprocesseurs et circuits intégrés numériques
Une autre avancée majeure qui a permis à l'électronique moderne de se développer et d'atteindre ses capacités actuelles a été la création du microprocesseur. Son développement a été confié à Marcian « Ted » Hoff, ingénieur chez Intel. L'Intel 4004, lors de ses débuts, intégrait l'intégralité du processeur dans un seul circuit intégré. Bien que ce système fût primitif selon les normes actuelles, il marqua le début d'une nouvelle ère dans l'histoire de l'informatique. Il était équipé de 2 300 transistors et fonctionnait sur un mot machine de 4 bits. La fréquence d'horloge n'était que de 740 kHz.
L'étape suivante fut la création du microprocesseur Intel 8080. Ce processeur 8 bits apparut sur le marché dans les années 1970 et trouva de nombreuses applications pratiques. Les progrès s'accélérèrent rapidement. Gordon Moore, l'un des fondateurs d'Intel, prédisait en 1965 que le nombre de transistors dans les circuits intégrés doublerait tous les 18 mois. Sa prédiction, aujourd'hui connue sous le nom de loi de Moore, est toujours exacte, même si ce rythme a ralenti à 24 mois ces dernières années. Aujourd'hui, l'ingénierie électrique dispose des technologies nécessaires pour fabriquer des circuits composés de milliards de transistors, et leurs capacités ne cessent de croître.
Comment est construit un circuit intégré ?
Qu'est-ce qu'un microprocesseur et comment est-il construit ? Il est constitué de plusieurs couches de matériaux semi-conducteurs, diélectriques et métalliques. La base de toute la structure est une fine plaque de silicium, une plaquette, sur laquelle sont appliquées des couches successives. Le silicium est un matériau important pour la production de circuits intégrés en raison de ses propriétés semi-conductrices uniques et de sa capacité à fonctionner sur une large plage de températures.
La plaquette de silicium contient des transistors, éléments de base du circuit intégré. Ce sont des commutateurs miniatures qui permettent de contrôler le flux de courant électrique. Dans les processeurs modernes, on en compte parfois des dizaines de milliards.
Le procédé de fabrication des circuits intégrés repose sur la photolithographie. Après préparation d'une plaquette de silicium, une fine couche de matériau photosensible y est appliquée. Ensuite, à l'aide d'une lumière ultraviolette et d'un gabarit spécial, une zone spécifique de la plaquette est exposée, selon un schéma de connexion préalablement conçu. Les zones exposées du matériau sont durcies, tandis que les autres sont éliminées chimiquement. Les parties exposées de la plaquette sont ensuite gravées, ce qui permet de créer les structures appropriées dans le semi-conducteur.
L'étape suivante consiste à placer des couches de différents matériaux conducteurs et isolants. Chaque couche a ses propres fonctions : créer des chemins conducteurs, isoler des éléments les uns des autres ou créer des structures de transistors. Le matériau le plus couramment utilisé pour créer des chemins conducteurs est le cuivre, qui conduit parfaitement l'électricité. Lors de la fabrication de circuits intégrés, il est essentiel que chaque couche soit appliquée avec précision et parfaitement adaptée aux autres, ce qui exige une grande précision.
À l'intérieur du circuit intégré, les transistors sont reliés entre eux par des pistes métalliques qui conduisent les signaux électriques. Celles-ci doivent être soigneusement planifiées et fabriquées : l'efficacité et la fiabilité de l'ensemble du système en dépendent. Les processeurs modernes comportent des milliards de connexions, ce qui complexifie considérablement leur construction. Des pistes métalliques sont utilisées dans le procédé de photolithographie, comme pour les autres éléments du système. Chaque couche de pistes est isolée de la précédente par des matériaux diélectriques, ce qui évite les courts-circuits.
Types de base de circuits intégrés
En fonction du type de signaux traités, il existe deux types de systèmes numériques. Le premier est le circuit intégré numérique, le plus courant, fonctionnant avec des signaux binaires (valeurs 0 et 1). Il est utilisé dans les opérations logiques et arithmétiques. Ce type de système est à la base des processeurs informatiques et de nombreux autres systèmes de contrôle ; il est couramment utilisé dans les infrastructures informatiques .
Le deuxième type est celui des circuits intégrés analogiques conçus pour les signaux analogiques continus. Ces signaux peuvent prendre n'importe quelle valeur dans une plage spécifiée. Les circuits analogiques sont souvent utilisés dans les systèmes de communication et audio. Leurs principaux types sont les amplificateurs opérationnels, les oscillateurs, les convertisseurs analogique-numérique (CAN), les convertisseurs numérique-analogique (CNA) et les puces mémoire.
Principe de fonctionnement des circuits intégrés
Les circuits intégrés sont à la base de tous les appareils électroniques modernes. Cette technologie a permis de miniaturiser les équipements et d'en accroître considérablement l'efficacité. La diversité de leurs types et leur capacité à traiter des signaux numériques et analogiques permettent aux ordinateurs et aux contrôleurs actuels d'exécuter des tâches complexes. Leurs capacités, grâce au nombre croissant de transistors, augmentent d'année en année, ce qui nous permet de réaliser des projets qui relevaient de la science-fiction il y a quelques décennies. L'avenir de l'industrie apportera certainement des innovations encore plus importantes, et ce dans les années à venir.