CIRCUITS INTÉGRÉS

Les limites physiques de l'intégration

Elles sont essentiellement liées à la réduction des dimensions des composants élémentaires.

–  La longueur d'onde de la lumière (ultraviolet) servant à insoler les masques en photolithographie doit diminuer lorsqu'on réduit la taille du plus petit élément pouvant être dessiné. Depuis 2002, une longueur d'onde de 193 nm est employée pour les technologies 0,09 μm et 0,05 μm. Utiliser une longueur d'onde supérieure à la plus petite dimension pouvant être gravée requiert l'emploi de techniques fort complexes. Théoriquement, la longueur d'onde peut être au maximum deux fois plus grande que la taille minimale de ce que l'on cherche à insoler. La diminution de la longueur d'onde impose l'usage de nouveaux matériaux, à la fois pour focaliser une telle lumière et pour servir de masques permettant de la stopper.

–  L'épaisseur de l'isolant de la grille du transistor ne peut diminuer en deçà de 2 nm (épaisseur correspondant à l'empilement de moins de 10 atomes). En effet, si l'isolant est trop fin, il ne joue plus son rôle et, à cause de l'effet tunnel, des courants de fuite très importants apparaissent : de très grandes quantités d'électrons franchissent alors une barrière de potentiel et le transistor n'est plus fonctionnel.

– La longueur de canal du transistor ne peut décroître en dessous d'une certaine limite (de l'ordre d'une dizaine de nanomètres) sous laquelle l'effet tunnel se produit entre les bornes du transistor (source et drain), créant d'importants courants de fuite. Cette limite est imposée en choisissant un rapport 1 000 entre le courant de fuite et le courant de fonctionnement. Le bruit thermique, en noyant les électrons du signal dans les déplacements d'électrons liés aux mouvements erratiques dus à la température du matériau, intervient également. Cependant, l'effet de ce bruit est plus théorique que pratique car il ne serait sensible que si le nombre d'électrons participant au signal était très faible, ce qui est loin d'être le cas aujourd'hui et à moyen terme.

–  La densité de courant passant dans les fils (quelques micro-ampères dans des sections de moins d'un micromètre) fragilise les conducteurs au cours du temps en leur arrachant des atomes de matière. Les courants circulant essentiellement lors des commutations, leur effet est d'autant plus important que la fréquence de fonctionnement est élevée. La durée de vie des circuits se réduit donc avec la diminution de taille des connexions entre transistors et avec l'augmentation de la fréquence de fonctionnement. On appelle ce phénomène l'électromigration.

–  La puissance à dissiper provoque l'échauffement des circuits, éventuellement leur destruction. On sait dissiper de l'ordre de 25 watts/cm² sur un circuit intégré auquel est adjoint un radiateur thermique correctement dimensionné. La puissance étant directement proportionnelle à l'activité, cela limite le nombre de transistors pouvant commuter simultanément sur cette surface. La diminution des dimensions du transistor implique un nombre croissant de transistors par unité de surface. Or les concepteurs de circuits tendent aujourd'hui à optimiser l'utilisation des transistors par l'utilisation de registres qui permettent aux parties combinatoires d'être actives simultanément et non les unes à la suite des autres. Si l'on définit l'efficacité d'un calcul – exprimée en millions d'opérations par seconde et par watt – comme le rapport entre le temps d'exécution et la consommation associée, on trouve qu'il y a deux ordres de grandeurs entre l'efficacité d'un microprocesseur (circuit effectuant des calculs par exécution d'un programme sur du matériel) et l'efficacité d'un matériel spécialisé effectuant le même calcul. Cela justifie donc pleinement le développement de circuits intégrés spécifiques pour la réalisation d'applications complexes, au lieu d'utiliser des microprocesseurs standards.

– Le rendement de fabrication représente le rapport entre le nombre de circuits fabriqués et le nombre de circuits qui fonctionnent. Sa valeur est proportionnelle au rapport entre la finesse de la gravure sur la taille et la densité des poussières. Les salles de fabrication, dites salles blanches, sont de plus en plus complexes à construire puisqu'elles doivent posséder au maximum environ 40 poussières de moins d'un micromètre par mètre cube d'air. Le rendement détermine la viabilité économique d'une ligne de fabrication ; il tend à se réduire non seulement lorsque la dimension des composants élémentaires diminue, car la taille relative des poussières augmente, mais également lorsque la surface des circuits croît, car, d'une part, la densité de poussières ne décroît pas dans les mêmes proportions, et, d'autre part, la dispersion des caractéristiques électriques des composants est plus importante.

Les limites économiques de l'intégration

Elles sont liées aux coûts de conception et de fabrication des circuits.

–  Le coût des unités de production des circuits intégrés croît de manière exponentielle : aux équipements de haute précision, il faut y ajouter le prix des bâtiments spécifiques (salles blanches présentant de très faibles quantités de poussières de plus d'un micromètre, planchers antivibrations, etc.). Les investissements nécessaires sont devenus exorbitants, se comptant en milliards de dollars par usine. De ce fait, la plupart des unités de fabrication sont désormais réalisées par de grands consortiums internationaux.

– Le coût de développement des procédés de fabrication est en constante augmentation, car l'élaboration d'un procédé industrialisable nécessite de nombreuses années de recherche et développement (nouvelles sources de lumière, nouveaux matériaux...) ainsi que des équipements toujours plus performants. La technique mise au point est généralement rapidement reprise par l'ensemble des industriels qui se regroupent là aussi en consortiums.

– La taille des équipes de conception qui ne cesse de croître devient un réel problème pour la conduite des projets. En effet, l'intégration rend possible le développement de circuits fonctionnellement très complexes qui exigent des compétences multiples.

Les prévisionnistes supputent que la conjonction de ces différentes limites rendra caduque la loi de Moore vers 2015.