Comment nous avons appris à fabriquer si petit

1971 : réunir environ 2 300 transistors

Un transistor peut servir de minuscule interrupteur électronique dans un circuit numérique. L’Intel 4004, présenté en 1971, réunit environ 2 300 transistors sur quelques millimètres de silicium. Son grand côté est pris ici à environ 4 mm. Ce comptage est un repère historique : il ne mesure ni la vitesse ni le nombre d’opérations par seconde.

1978 : davantage de fonctions, pas forcément une puce plus petite

L’Intel 8086 de 1978 rassemble environ 29 000 transistors, avec une architecture différente. Son silicium mesure ici environ 6 × 5,5 mm. Le progrès ne consiste donc pas simplement à rétrécir l’objet entier : on peut aussi réunir davantage de fonctions et de transistors sur une plus grande surface. Les deux comptages historiques sont des ordres de grandeur documentaires, pas des valeurs revérifiées en ligne dans cette session.

Boîtier et silicium : deux choses à ne pas mélanger

Le boîtier protège la puce et la relie à l’extérieur. Pour le 4004, notre repère de boîtier est d’environ 20 mm de long, contre environ 4 mm pour le grand côté du silicium : un rapport de 5 entre ces longueurs. Les 45 mm du Core i9-14900K désignent encore un boîtier, pas la taille d’un transistor. Comparer ces 45 mm aux 4 mm de silicium du 4004 ne permet pas de mesurer la miniaturisation ou la puissance des processeurs.

Oui, des puces entières peuvent être bien plus petites

Le repère µ-chip Hitachi est une version de 0,4 mm de côté ; d’autres versions existent, donc la version choisie compte. Le démonstrateur RFID Hitachi présenté en 2007 ne mesure qu’environ 50 micromètres de côté : du silicium entier, mais avec antenne et lecteur externes. Face aux 6 mm du 8086, cela donne 120 fois en longueur. Il ne s’agit pas d’un ordinateur de même fonction réduit 120 fois.

Et un dispositif de 0,3 mm ?

Le dispositif expérimental de Michigan présenté en 2018 est pris à environ 0,3 mm de côté. Il utilise une infrastructure optique extérieure ; ce n’est pas un PC autonome. Miniaturiser une étiquette d’identification, un capteur spécialisé ou un processeur généraliste ne pose pas les mêmes problèmes. Pour comprendre une annonce de très petite puce, il faut toujours demander quelle fonction elle assure et ce qui reste à l’extérieur.

Un fil plus fin qu’un cheveu

Un fil de connexion peut relier les contacts d’une puce à son boîtier. Notre fil d’or a un diamètre représentatif de 25 micromètres. Le cheveu d’exemple a un diamètre de 70 micromètres, soit environ 2,8 fois plus. Ce sont deux diamètres : les longs segments dessinés sont seulement là pour reconnaître les objets.

Une largeur comparable à un virus

Le PDK ouvert SKY130 donne une règle minimale de dessin de 150 nanomètres pour une ligne de polysilicium. C’est environ 1,5 fois le diamètre de 100 nanomètres retenu pour un virus de la grippe. Cette comparaison aide à imaginer le détail dessiné ; elle ne transforme pas une règle de dessin en mesure de chaque ligne fabriquée, ni en taille d’un transistor entier.

Descendre vers le nanomètre

Dans un démonstrateur de Berkeley de 2016, un nanotube d’environ 1 nanomètre de diamètre sert de grille. L’ADN a un diamètre d’environ 2 nanomètres. C’est la grille que l’on compare, pas la totalité du transistor avec ses contacts. Même une puce de 50 micromètres mesure encore 50 000 nanomètres de côté : une puce complète et un détail nanométrique sont deux échelles différentes.

Ce que raconte cette évolution

Nous avons appris à dessiner, fabriquer, relier et faire fonctionner des structures à plusieurs échelles. Il faut distinguer le nombre de fonctions intégrées, la densité des composants, les dimensions d’un détail et la taille du système complet. Un nom commercial de génération, comme « 3 nm », n’est pas une dimension universelle de tous les transistors. Les images interprètent ces objets et ne remplacent pas une vue de métrologie.

Cinq comparaisons pour voir les différences

Les repères de ce parcours

Microélectronique · 1971Intel 4004 · puce nue4 mmMicroélectronique · 1978Intel 8086 · puce nue6 mmMicroélectronique · 2023Core i9-14900K · boîtier4,5 cmMicroélectronique · 1971Intel 4004 · boîtier DIP2 cmMicroélectronique · Début des années 2000Hitachi µ-chip · 0,4 mm400 µmMicroélectronique · 2007Hitachi · puce RFID de 50 µm50 µmMicroélectronique · 2018Michigan · microdispositif de 0,3 mm300 µmMicroélectronique · Époque variableFil de connexion en or25 µmMicrocosmeCheveu humain70 µmMicroélectronique · PDK 2020Ligne de polysilicium SKY130150 nmMicrocosmeVirus de la grippe100 nmMicroélectronique · 2016Transistor expérimental · grille en nanotube de 1 nm1 nmMicrocosmeADN2 nm