En 1907, Lee de Forest, chercheur américain, invente la triode. C'est un dispositif sous vide comprenant un filament émetteur d'électrons et une plaque, collectrice d'électrons lorsqu'elle est polarisée positivement ; entre les deux, on insère une grille. C’est le premier système amplificateur d'un signal électronique. Il suffit de faire varier la tension (positive ou négative) de la plaque pour permettre ou interrompre le passage du courant.
La grille joue le rôle de « modulateur d’électrons » : selon sa polarisation, elle les bloque ou accélère leur passage (amplification du courant).

Dans les années 40, les triodes et autres tubes à vide sont utilisés dans les tout premiers ordinateurs. Plus les calculs à effectuer sont complexes, plus le besoin de tubes à vide est grand. Or, ceux-ci sont volumineux, chauffent beaucoup et « claquent » facilement. Ce manque de fiabilité freine le développement de l’informatique.

L'ère de la miniaturisation

1. Le transistor

Un circuit électrique est un assemblage simple ou complexe de composants électriques ou électroniques reliés par des fils conducteurs.
Il est appelé « circuit imprimé » lorsqu’il est fabriqué par dépôts de matériaux conducteurs sur des matériaux isolants comme dans le cas de la carte mère des ordinateurs.
Il est appelé circuit intégré lorsqu’il rassemble, sur un minuscule matériau semi-conducteur, plusieurs types de composants électroniques de base (transistors, résistors, condensateurs). Il peut comporter plusieurs centaines de millions de composants.

Dans les années 50, le transistor bipolaire, beaucoup plus petit et léger et démarrant instantanément, supplante le tube à vide favorisant ainsi la miniaturisation des circuits électriques et l'émergence de l'informatique grand public.

Aujourd'hui, le transistor MOS (Metal Oxide Semiconductor) constitue, grâce à sa simplicité de fabrication et à ses dimensions réduites, l'élément fondamental des circuits intégrés numériques.

2. Du transistor aux portes logiques et au microprocesseur

L’assemblage de transistors permet de réaliser les premières portes intégrées (porte non, porte ou, porte et).
Exemple :
La réalisation de l’inverseur ne met en œuvre que deux transistors.
Les progrès de la miniaturisation ont permis de réduire davantage la taille des composants électroniques, favorisant ainsi une intégration toujours plus importante.
Un microprocesseur (le circuit intégré le plus complexe) est un élément d'une seule pièce dans lequel les fonctions de plusieurs composants électroniques sont réalisées dans un matériau semi-conducteur d’une seule pièce. Il est enfermé dans un boîtier protecteur muni de « pattes » (d’où le nom de « puce électronique» ou « micro-puce électronique») pour assurer les connexions avec les autres organes de l’appareil dans lequel il s’insère.
Le support micro-conducteur sur lequel est gravé le microprocesseur est appelé wafer.
le SOI (silicium sur isolant) permet de réaliser des circuits plus rapides et moins gourmands en énergie.

Vers une intégration plus poussée : les Soc

Microcontrôleur
La miniaturisation et la recherche de la performance ont permis l’accroissement exponentiel du nombre de transistors par puce, aussi appelé « loi de Moore ».
La conséquence : Toute l'architecture du modèle de Von Neumann peut être intégrée dans une seule puce. Cette puce est conçue pour effectuer des tâches spécifiques. Ce qui conduit, par exemple au microcontrôleur.
Les microcontrôleurs sont largement utilisés dans une variété d'applications électroniques pour contrôler, surveiller et automatiser des systèmes et des appareils. Notamment, dans l'automobile (contrôle moteur, systèmes de navigation), l'électronique grand public (télécommandes, appareils ménagers), les dispositifs médicaux, les capteurs industriels, les jouets électroniques, etc.
System On Chip (SOC)
L'intégration de plusieurs micro-contrôleurs dans la même puce permet d'exécuter plusieurs programmes simultanément (graver un DVD + imprimer + écouter de la musique + télécharger + jouer ou travailler + …).
Les concepteurs de circuits électroniques recherchent en permanence l’intégration maximale. L’objectif étant d’implanter toutes les fonctions d’un système sur une seule puce, System on chip.
Un Soc a comme avantages son faible encombrement et une consommation d'énergie réduite. Mais, il présente aussi un inconvénient majeur : il n'est pas possible de changer un composant défectueux dans une puce. Il faut tout simplement jeter toute la puce !
Ces systèmes se rencontrent dans l’informatique embarquée, embedded, c’est-à-dire dans les systèmes de traitement de l’information qui agissent en toute autonomie, enfouies à l’intérieur de nos objets du quotidien.
La possibilité d’avoir une puce versatile dans tous les domaines diminue la taille des systèmes, augmente l’intégration des cartes ainsi que la fiabilité. Toutes les fonctions usuellement rencontrées dans ces circuits sont implantées autour d’un cœur 32-bit ARM Cortex-M3 et sont ainsi entièrement pilotables par le programme implanté sur la puce.
Intégrer des algorithmes d’intelligence artificielle
Les enjeux d’aujourd’hui, tournés vers le développement de l’internet des objets, ou IoT Internet of Things, demandent une intégration poussée doublée d’une sécurité renforcée dans sa mise en œuvre.
La tendance aujourd’hui consiste à réaliser les calculs au plus proche des capteurs. Des algorithmes comme les réseaux de neurones sont intégrés directement dans des puces programmables de type FPGA. Ces réseaux sont préalablement entraînés.

Passer du design à la fabrication

De par ses propriétés de semi-conducteur, le matériau de base des circuits intégrés est aujourd'hui encore le silicium (extrait du sable : oxyde de silicium).
La fabrication collective de puces électroniques, qui fait chuter les coûts unitaires, est l’un des atouts majeurs de l’industrie microélectronique. Mais elle durcit aussi les exigences de production : une erreur de manipulation, quelques secondes en plus ou en moins et ce sont plusieurs centaines de circuits qui finissent à la poubelle…
De plus, elle mobilise d'énormes ressources financières ; c'est pourquoi, le nombre de fabricants de puces est trop réduit à l'échelle planétaire.
Les 6 étapes clés de la fabrication de puces

1. Le traitement thermique
   Réalisé dans des fours à des températures de 800 à 1 200° C, il permet de réaliser des couches d'oxyde et de nitrure de silicium par exemple, réarranger des réseaux cristallins ou effectuer certains dopages.
2. Les dépôts
   Ils apportent à la surface du silicium des couches conductrices ou isolantes.
3. La photolithographie
   Étape-clé, elle consiste à reproduire dans la résine photosensible le dessin des circuits à réaliser. Ces motifs complexes sont générés en une seule exposition. La lumière d’une source lumineuse de très faible longueur d’onde (UV ou rayons X, pour les gravures les plus fines) y projette l’image d’un masque. Plus la résolution optique est poussée, plus la miniaturisation des circuits est améliorée.
4. Le nettoyage
   Les nombreuses opérations de nettoyage des tranches représentent presque un tiers du temps total de processus de fabrication.
5. La gravure
   A l’inverse du dépôt, la gravure enlève de la matière, toujours dans le but de réaliser un motif. Deux voies principales : la gravure dite humide, qui utilise des réactifs liquides, et la gravure sèche (ou gravure plasma) qui emploie des réactifs gazeux. En 2004, les gravures les plus fines en production mesuraient 130 nm. Dix ans après, elles n’étaient plus que de 14 nm !
6. Le dopage
   Pour introduire au cœur du silicium les atomes qui vont modifier sa conductivité, les plaquettes sont chauffées entre 800 et 1 100° C dans des fours, en présence du gaz dopant, ou bombardées par implantation à travers un masque par un faisceau d’ions accélérés.

Pour finaliser la fabrication, une pellicule métallique est déposée aux endroits où le circuit devra être en contact avec les broches de sortie. Puis les circuits intégrés sont testés, directement sur le wafer. Enfin, celui-ci est découpé pour obtenir des puces, insérées dans un boîtier individuel de protection et reliées aux broches qui vont leur permettre de communiquer avec l'extérieur. Des tests de validation et de qualification, à différentes fréquences et températures, sont alors entrepris.