Circuit intégré
À la fin de la Seconde Guerre mondiale, l'électronique complexe des bombardiers B-29 avait un problème technique de taille : chaque appareil embarquait près d'un millier de tubes à vide et des dizaines de milliers de composants passifs. Cette multiplication des éléments entraînait une hausse exponentielle des coûts de fabrication et une baisse inquiétante de la fiabilité. Les militaires américains, confrontés à cette réalité technique, craignaient que cette complexité ne freine drastiquement l'évolution des systèmes électroniques.
Le National Bureau of Standards lança les premières recherches pour simplifier la fabrication. La division Centralab de Globe-Union proposa une technique novatrice à base de substrats céramiques supportant des interconnexions métalliques et des condensateurs, sur lesquels venaient se fixer des tubes à vide miniaturisés. Cette méthode, fruit du travail de S.J. Rubenstein, Mr Ehlers, Gertrude B. Sherwood et Howard J. White, marqua la première tentative de création de composants in situ.
Après 1945, les travaux continuèrent sous la direction de R.L. Wolff et A.S. Khouri, et Centralab mit au point des procédés de sérigraphie haute cadence. La société fabriqua des amplificateurs pour appareils auditifs intégrant des dizaines de composants passifs et quelques supports de tube. L'utilisation d'un substrat à forte constante diélectrique permit la production économique de réseaux RC destinés aux postes radio et aux téléviseurs.
Tout changea avec l'arrivée du transistor en 1948. Plus compact, moins énergivore et plus fiable que le tube à vide, il générait aussi moins de chaleur. Son intégration aux circuits existants demanda toutefois une longue adaptation technologique. Jack Kilby, chez Texas Instruments, et Robert Noyce, de Fairchild Semiconductor, conçurent indépendamment le circuit intégré en 1958.
Kilby imagina que tous les composants d'un circuit pouvaient être fabriqués dans un bloc de semi-conducteur. En septembre 1958, sa démonstration d'un oscillateur à déphasage utilisant transistors, résistances et condensateurs en germanium prouva la validité du concept. Cette approche pionnière utilisait des interconnexions par fils d'or soudés qui s'avéraient incompatibles avec une production industrielle, ce qui constituait un défaut important.
Noyce développa une solution différente chez Fairchild, basée sur la technologie planaire de Jean Hoerni. Sa conception utilisait le silicium comme substrat, recouvert d'une couche d'oxyde isolante sur laquelle étaient déposées des pistes d'aluminium pour les interconnexions. Cette méthode, plus adaptée à l'industrialisation, devint le fondement de la technologie moderne des circuits intégrés.
Ces inventions transformèrent radicalement l'électronique. La fabrication de circuits complets sur une seule puce de silicium réduisit drastiquement les coûts tout en améliorant spectaculairement la fiabilité. En 1961, Fairchild commercialisa la famille Micrologic, premier ensemble de circuits logiques compatibles avec résistances diffusées et interconnexions. Cette année-là, Texas Instruments livra à l'US Air Force un petit ordinateur intégrant plusieurs centaines de bits de mémoire semi-conductrice.
L'industrie des circuits intégrés suivit une trajectoire exponentielle, décrite par Gordon Moore en 1965 : le nombre de transistors par circuit double environ tous les deux ans. Cette prédiction s'est vérifiée pendant plus de cinquante ans. Des premiers circuits contenant quelques milliers de transistors, nous sommes passés à des puces renfermant plusieurs milliards de composants.
Les progrès technologiques ont constamment réduit la taille des transistors : de plusieurs microns dans les années 1970 à quelques nanomètres aujourd'hui. Cette miniaturisation s'accompagne d'une hausse des performances et d'une baisse de la consommation électrique. La technologie actuelle approche cependant ses limites physiques, avec des transistors ne mesurant que quelques dizaines d'atomes de large.
Les circuits intégrés ont rendu possible l'ordinateur personnel, le téléphone mobile, Internet et l'intelligence artificielle. L'essor de l'industrie des semi-conducteurs a bouleversé l'économie mondiale, créant de nouveaux secteurs et modifiant nos modes de vie.
Face aux contraintes physiques de la miniaturisation, les chercheurs explorent désormais l'intégration tridimensionnelle ou l'informatique quantique. Les besoins de puissance de calcul pour l'intelligence artificielle et le machine learning du XXIe siècle stimulent encore l'innovation dans ce domaine.