Il est difficile d’exagérer à quel point notre existence moderne repose sur un appareil qui a commencé comme un simple outil audio. Avant le milieu du 20e siècle, l’électronique était lourde, chaude et peu fiable. Le public dépendait des tubes à vide pour tout, des radios aux premiers ordinateurs. Ils étaient fragiles. Ils brûlaient fréquemment. Ils généraient suffisamment de chaleur pour déformer l’équipement. Puis vint le transistor.
Développé en 1947 par les ingénieurs des Laboratoires Bell, l’objectif initial était modeste. Ils avaient besoin d’un moyen d’amplifier le son sur les lignes téléphoniques. Le tube à vide était la norme, mais il était maladroit. Le nouvel appareil l’a remplacé par quelque chose à semi-conducteurs. C’était plus petit. C’était plus frais. C’était plus fiable.
La première itération était un transistor à contact ponctuel. Il mesurait un demi-pouce de haut. Environ 1,27 centimètres. Ce n’était pas particulièrement puissant par rapport aux normes actuelles, mais les physiciens ont immédiatement vu son potentiel. Les ingénieurs ont commencé à intégrer ces minuscules interrupteurs dans les radios et autres appareils électroniques. Ils ont appris à les rétrécir. Ils ont appris à les rendre plus efficaces.
Cette miniaturisation incessante a conduit à un grand pas en avant en 1958. Les ingénieurs ont attaché deux transistors à un seul cristal de silicium. Ils ont créé le premier circuit intégré. C’était le pont vers le microprocesseur. Si un ordinateur est un corps, le microprocesseur est le cerveau. Il traite les données. Il fait des calculs. Sans le circuit intégré, ce cerveau ne se formerait jamais.
La loi de Moore et la crise du silicium
Dans les années 1960, le rythme de l’innovation avait un nom. Gordon Moore, informaticien et co-fondateur d’Intel, a remarqué une tendance. Il a observé que les ingénieurs doublaient le nombre de transistors sur un pouce carré de silicium tous les douze mois. Cela s’est passé comme sur des roulettes. La taille a diminué. La densité a augmenté.
Cette tendance nous a donné l’ordinateur personnel. Le smartphone. Le lecteur MP3. Sans ces minuscules interrupteurs, nous continuerions à cliquer sur des interrupteurs mécaniques et à compter sur des tubes à vide pour effectuer des calculs de base. La tendance au déclin s’est poursuivie pendant des décennies. Mais cela n’a pas tout à fait suivi la prédiction initiale de Moore. Aujourd’hui, le cycle de doublement dure environ 24 mois. C’est plus lent. Mais le résultat est le même. Nous emballons plus de puissance dans des espaces plus petits.
Alors, quelle taille un transistor peut-il atteindre ? En 1947, ce premier appareil mesurait plus d’un centième de mètre de haut. Dans les années 2010, Intel produisait des microprocesseurs dotés de transistors d’à peine 45 nanomètres de large. Un nanomètre équivaut à un milliardième de mètre. L’échelle est difficile à comprendre.
Limites physiques et futures puces
Les constructeurs travaillent déjà sur la prochaine génération. Les puces évoluent vers des transistors de seulement 32 nanomètres de large. Mais certains physiciens et ingénieurs tirent la sonnette d’alarme. Nous pourrions nous heurter à des limites physiques fondamentales. Les effets quantiques commencent à interférer lorsque les choses deviennent aussi petites. Les électrons traversent des barrières qu’ils ne devraient pas traverser. La chaleur devient un cauchemar.
L’histoire du transistor ne concerne pas seulement l’ingénierie. Il s’agit de notre volonté incessante de réduire les choses. Plus rapide. Plus efficace. Nous nous sommes heurtés à un mur. Le mur est la loi physique. Mais nous continuons à pousser. Les prochaines années nous diront si nous avons réussi ou si nous avons atteint le bout du monde pour le silicium.
Anatomie d’un transistor
Pour comprendre pourquoi les ordinateurs se heurtent à un mur, il faut d’abord comprendre ce qu’est un transistor. Ce n’est pas magique. C’est un interrupteur. Et pas n’importe quel interrupteur. Il s’agit d’un interrupteur construit à partir de matière qui se comporte étrangement sous pression.
La matière se divise généralement en trois catégories.
Conducteurs permettent à l’électricité de circuler librement. Pensez au cuivre. Il contient de nombreux électrons libres prêts à se déplacer.
Les isolants bloquent complètement le flux. Verre. Céramique. Les électrons sont bloqués.
Ensuite, il y a les semi-conducteurs. Le silicium se situe au milieu. Il possède un certain espace électronique, mais pas suffisamment pour conduire comme un métal. C’est têtu. Il faut un coup de pouce.
Ce coup de pouce est la clé. En ajustant les conditions, les ingénieurs forcent le silicium à basculer entre conducteur et isolant. Ce comportement binaire (activé et désactivé) constitue le fondement de toute informatique moderne. Mais pour que le silicium se comporte correctement, il faut un processus appelé dopage.
Le dopage et le substrat
Les ingénieurs introduisent des impuretés spécifiques dans le silicium pour modifier ses propriétés électriques. Ils commencent par un matériau de base appelé substrat.
Dans notre exemple, nous examinons un transistor de type n. Cela signifie que le substrat est chargé positivement.
Pour que cela fonctionne, vous avez besoin de trois terminaux spécifiques au-dessus de ce substrat :
- Source
- Vidanger
- Porte
La porte se situe entre la source et le drain. Il agit comme une vanne unidirectionnelle pour la tension. Il permet à l’électricité de pénétrer dans le silicium, mais sa conception l’empêche de refluer.
Comment? La grille est séparée du substrat par une fine couche d’oxyde. Cet isolant empêche les électrons de traverser directement la borne de grille.
Dans un transistor de type n, la source et le drain sont chargés négativement. Lorsque vous appliquez une tension positive à la grille, quelque chose de physique se produit à l’intérieur du silicium.
Le canal électronique
Appliquez une tension positive à la porte.
Cela attire les électrons libres dans le substrat chargé positivement. Ils s’accumulent contre la couche d’oxyde sous la grille.
Cela crée un canal électronique.
Un pont de conductivité se forme entre la source et le drain.
Si vous poussez ensuite une tension positive dans le drain, les électrons circulent. Ils voyagent depuis la source, à travers ce canal nouvellement formé, et jusqu’au drain.
Supprimer la tension du portail ? L’attraction disparaît. Les électrons se dispersent. Le canal s’effondre.
Le courant s’arrête.
C’est ainsi qu’un transistor agit comme un interrupteur.
- Tension sur la grille = On
- Pas de tension sur la grille = Off
Les ordinateurs lisent cet état binaire sous forme de bits. Un. Zéro. Un. Zéro. Toute votre vie numérique repose sur des milliards de ces minuscules interrupteurs physiques qui s’actionnent d’avant en arrière.
Variations de type P
Nous avons utilisé un transistor de type n pour plus de clarté. Mais les transistors de type p existent aussi.
Dans une configuration de type P, vous annulez les frais. Le substrat est dopé avec un matériau chargé négativement. Les bornes portent une charge positive. La logique reste la même, mais la physique des porteurs de charge est inversée.
La plupart des puces modernes utilisent une combinaison des deux types, connue sous le nom de technologie CMOS, pour minimiser la consommation d’énergie. Mais avant d’aborder l’architecture, nous devons faire face au matériel.
Transistors à l’échelle nanométrique
Le problème n’est pas le concept. Le concept fonctionne. Le problème est la taille.
À mesure que les transistors rétrécissent pour en insérer davantage sur une puce, les effets quantiques commencent à se manifester. Les électrons traversent des barrières qu’ils ne devraient pas pouvoir franchir. La couche d’oxyde devient si fine que les électrons la traversent même lorsque la grille est fermée.
Cette fuite tue la durée de vie de la batterie. Il génère de la chaleur. Et cela crée des erreurs.
Nous miniaturisons les transistors depuis des décennies. Nous manquons de place pour les réduire sans enfreindre les lois de la physique.
Que se passe-t-il lorsque le commutateur lui-même devient peu fiable ?
Pourquoi le retrait des transistors frappe un mur physique
Les journalistes adorent prédire la mort de la loi de Moore. Chaque année, quelqu’un publie un article déclarant que les transistors ont atteint leur limite de taille. Les ingénieurs trouvent ensuite une solution de contournement. Le transistor devient plus petit. La prédiction est fausse. Nous sommes dans un cycle de fausses alertes, en partie parce que les écrivains sont devenus réticents à annoncer la fin du jeu.
Mais la fin du jeu est réelle. Ce n’est pas une question de compétences en ingénierie. C’est une question de physique.
Une fois que vous atteignez l’échelle nanométrique, vous laissez derrière vous la physique classique. Vous entrez dans le monde de la mécanique quantique. Ici, la matière et l’énergie agissent selon des règles qui semblent contre-intuitives. Vous ne pouvez même pas observer un système quantique sans modifier son comportement.
Si les électrons peuvent traverser une porte dans n’importe quelle circonstance, il n’existe aucun moyen de contrôler leur flux.
Le plus gros problème est le tunnel électronique. Considérez cela comme une téléportation. Lorsqu’une barrière matérielle est extrêmement fine – environ un nanomètre, soit la largeur de dix atomes – les électrons peuvent la traverser. Ils ne font pas de trou. Ils ne réussissent pas. L’électron disparaît simplement d’un côté et réapparaît de l’autre.
Les portes sont censées contrôler le flux d’électrons. Si les électrons traversent la porte, le contrôle est perdu. Vous obtenez des transistors qui fuient. Le processeur devient inefficace. Cela pourrait même ne pas fonctionner.
Des entreprises comme Intel travaillent déjà avec des transistors d’une largeur d’environ 32 nanomètres. La couche d’oxyde s’amincit dangereusement. Dans le passé, les ingénieurs ont toujours trouvé un moyen de contourner ces obstacles. Ils suivent la loi de Moore. Mais cette fois, ils sont confrontés à une loi fondamentale de la nature.
Les ingénieurs pourraient trouver un isolant efficace à un nanomètre. C’est possible. Mais même dans ce cas, il n’y a pas grand-chose à faire avec les transistors traditionnels. Au-delà de l’échelle nanométrique se trouve l’échelle atomique. Ici, les matériaux ne mesurent que quelques atomes. Vous manquez de matériel avec lequel travailler.
Cela ne veut pas dire que les transistors vont disparaître. Cela signifie que la croissance exponentielle du développement des microprocesseurs va ralentir. Cela va se stabiliser. Les améliorations de la puissance de traitement brute ne se poursuivront pas au même rythme effréné.
Mais les fabricants trouveront encore des moyens d’améliorer l’efficacité. Les performances augmenteront, mais pas de manière exponentielle.
Il existe une autre possibilité. Les fabricants de microprocesseurs recherchent des alternatives aux transistors traditionnels. Certains tentent déjà d’exploiter les effets quantiques à l’échelle nanométrique. Ils transforment des nanocitrons en nano-limonade.
La loi de Moore pourrait ne durer que quelques années encore. Mais si l’on regarde des décennies en arrière, les journalistes ont fait la même affirmation. Les ingénieurs considèrent probablement ces prédictions comme un défi personnel. Ils continueront à pousser. Mais les lois de la physique constituent un mur difficile à briser.
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L’Intel Atom est une collection de processeurs petits mais puissants conçus pour fonctionner sur les smartphones.
