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L'avenir de l'électronique intégrée est le futur de l'électronique elle-même. Les avantages de l'intégration provoquera la prolifération de l'électronique, propulsant cette science dans nombre de nouvelles aires.
Les circuits intégrés vont mener vers de telles merveilles qu'ordinateurs familiaux — ou au moins terminaux connectés à un ordinateur central —, contrôles pour automobiles, et équipement portable personnel de communication. La montre-bracelet électronique requiert seulement un affichage spécifique pour être réalisable aujourd'hui.
Mais le plus grand potentiel réside dans la production de grands systèmes. Dans les communications téléphoniques, les circuits intégrés dans des filtres digitaux sépareront les canaux dans des équipements multiplexes. Les circuits intégrés vont aussi distribuer les centraux téléphoniques et faire du traitement de données.
Les ordinateurs seront plus puissants, et seront organisés de manières complètement différentes. Par exemple, les mémoires faites à base de circuits intégrés pourront être réparties partout dans la machine plutôt qu'être concentrée dans des unités centrales. De plus, la fiabilité augmentée rendue possible par les circuits intégrés autorisera la construction de plus grandes unités de traitement. Des machines similaires à celles existant aujourd'hui seront fabriquées à moindre coût et avec un retour sur investissement plus rapide.
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Par électronique intégée, j'entends toutes les diverses technologies regroupées aujourd'hui dans la microélectronique aussi bien que toutes celles additionnelles qui se traduisent en fonctions électroniques fournies aux utilisateurs en unités irréductibles[1]. Ces technologies commencèrent d'être étudiées à la fin des années 1950. Le but était de miniaturiser les équipements électroniques pour inclure des fonctions électroniques considérablement plus complexes dans un espace limité avec un poids minimum. Plusieurs approches furent développées, incluant les techniques de micro-assembage pour composants individuels, les structures en films fins et les circuits intégrés semiconducteurs.
Chaque approche évoluait rapidement et convergeait en ce sens que chacune empruntait des techniques des autres. De nombreux chercheurs croient que la voie de l'avenir sera la combinaison de ces approches variées.
Les défenseurs des circuits intégrés semiconducteurs utilisent déjà les caractéristiques éprouvées des résistances en films fins en appliquant lesdits films directement sur un support semiconducteur actif. Ils plaident que les technologies basées sur les films sont en train de développer des techniques sophistiquées pour l'assemblage de dispositifs semiconducteurs actifs et d'ensembles de films passifs.
Les deux approches fonctionnent bien et sont utilisées dans les équipements actuels.
L'électronique intégrée est bien établie désormais. Ses techniques sont presque obligatoires pour les nouveaux systèmes militaires, depuis que la fiabilité, la taille et le poids requis par certains d'entre eux ne sont possibles qu'avec de l'intégration. Quelques programmes, tel Apollo, pour les vols lunaires habités, ont prouvé la fiabilité de l'électronique intégrée en montrant que des circuits complets de fonctions sont aussi exempts d'erreurs que les meilleurs transistors individuels.
La plupart des compagnies dans le domaine des ordinateurs commerciaux ont des machines en développement ou en début de production enployant l'électronique intégrée. Ces machines coûtent moins et travaillent mieux que celles usant d'électronique “conventionnelle”.
Des instruments de diverses sortes, spécialement le nombre rapidement croissant de celles employant des techniques digitales, ont commencé d'utiliser l'intégration parce qu'elle diminue à la fois les coûts de fabrication et de conception.
L'utilisation de circuiterie linéaire intégrée est encore limitée principalement aux usages militaires. Telles qu'elles, les fonctions intégrées sont dispendieuses et ne sont pas disponibles dans la diversité requise pour satisfaire une partie importante de l'électronique linéaire. Mais les premières applications sont en train d'apparaître dans l'électronique commerciale, particulièrement dans les équipements qui requièrent des amplificateurs de petite taille à basse fréquence.
Dans presque tous les cas, l'électronique intégrée a démontré sa haute fiabilité. Même à son niveau actuel de production — bas comparé à celui des composants discrets [de grande taille] — il offre des systèmes de coûts réduits, et dans de nombreux systèmes a des améliorations de performances ont été réalisées.
L'électronique intégrée rendra les techniques électroniques plus largement accessibles à travers toute la société, réalisant de nombreuses fonctions qui sont actuellement faites insuffisament bien par d'autres techniques, ou ne sont pas faites du tout. Les principaux avantages seront des coûts réduits et une conception grandement simplifiée — la récompense d'éléments prêts à l'emploi d'ensembles fonctionnels à bas prix.
Pour la plupart des applications, les circuits semiconducteurs intégrés prédomineront. Les dispositifs semiconducteurs sont actuellement les seuls candidats existants raisonnables pour les éléments actifs des circuits intégrés. Les éléments semiconducteurs passifs aussi semblent attractifs, du fait de leur potentiel de prix bas et de haute fiabilité, mais ils ne peuvent être utilisés que si la précision n'est pas un élement essentiel requis.
Le silicone semble devoir rester le matériau de base, bien que d'autres pourront être utilisés pour des applications spécifiques. Par exemple, l'arsenate de gallium sera important dans les fonctions intégrés à ondes ultra-courtes. Mais le silicone prédominera à plus basses fréquences du fait de la technologie qui a déjà évolué autour de lui et de ses oxydes, et parce que c'est un matériau de départ abondant et relativement peu coûteux.
Les coûts réduits sont l'une des grandes
attractivités de l'électronique intégrée, et les avantages de coûts continuent de
s'accroître au fur et à mesure que la technologie évolue vers la production de
fonctions de circuits de plus en plus grandes sur un seul support semiconducteur.
Pour des circuits simples, le coût par composant est à peu de chose près inversement
proportionnel au nombre de composants, le résultat de la pièce équivalente dans le
conditionnement équivalent contenant plus de composants. Mais d'autant que des
composants sont ajoutés, les réductions de rendements sont plus que compensées par
les augmentations de complexité, ce qui tend à faire monter le coût par composant.
Ainsi on parvient à un coût minimum à n'importe quel moment dans l'évolution de la
technologie. À L'heure actuelle, il est atteint quant 50 composants par circuits sont
utilisés. Mais le le minimum est atteint rapidement dans le temps où la courbe de coût
s'abaisse (voir le graphique ci-contre). Si nous nous reportons cinq ans en avant, une
prévision des coûts suggère que le coût minimum par composant peut être attendu à
environ 1.000 composants par circuit (en prévoyant aussi que les circuits de fonctions
peuvent être produits en quantités raisonnables). En 1970, le coût de fabrication par
composant peut être espéré au dixième seulement du coût actuel.
La complexité pour un coût minimum par composant a progressé à un taux d'en gros un facteur de deux par année (voir le graphique ci-après). À coup sûr, pour le court terme on peut s'attendre à ce que ce taux se maintienne, s'il ne progresse pas. Sur le long terme c'est un peu plus incertain, bien qu'il n'y ait pas de raisons de croire qu'il ne restera pas constant pour au moins une dizaine d'années. Ce qui implique qu'en 1975, le nombre de composants par circuit intégré pour un coût minimum sera de 65.000.
Je crois qu'ainsi on pourra fabriquer un grand circuit sur une seule grille.
Avec les tolérances dimensionnelles qui ont déjà pu être employées dans les circuits intégrés, les transistors (électriquement) isolés à haute performances peuvent être fabriqués à une largeur d'un deux millième de pouce. Ainsi, un carré de [two-mil] peu contenir, ou plusieurs kilohoms de résistances ou quelques diodes. Ceci autorise au moins 500 composants par pouce linéaire ou un quart de millions par pouce carré. Ainsi, 65.000 composants n'ont beson d'occuper qu'environ un quart de pouce carré.
Sur les grilles de silicone actuellement utilisées, d'habituellement un pouce ou plus de diamètre, il y a bien assez de place pour une telle structure si les composants peuvent être assemblés très près les uns des autres, sans espace gaspillé pour les motifs d'interconnexion. C'est réaliste, d'autant que des efforts pour atteindre un niveau de complexité du niveau des circuits intégrés actuellement réalisables sont déjà en cours, utilisant la métallisation de motifs multicouches séparés par des films diélectriques. Ainsi une (haute) densité de composants peut être réalisée avec les techniques optiques actuelles, et ne requiert pas de techniques plus exotiques, tels que des opérations par rayons d'électrons, qui sont en cours d'étude pour faire des structures encore plus petites.
Il n'y a pas d'obstacle fondamental pour
obtenir un rendement de production de 100%. Actuellement, les coûts de conditionnement
excèdent tellement le coût de la structure semiconductrice elle-même qu'il n'y a pas de
motivation à améliorer les rendements. Mais ils peuvent être augmentés aussi haut qu'il
soit économiquement justifié. Il n'existe pas de barrière comparables aux questions
d'équilibre thermodynamique qui limitent souvent les rendements dans les reactions
chimiques; il n'est pas non plus nécessaire de faire quelque recherche fondamentale ou
de remplacer les procédés actuels. Seul un effort d'ingénierie est requis.
Dans les débuts de la circuiterie intégrée, quand les rendements étaient extrêmenent bas, il y avait alors une telle motivation. Aujourd'hui les circuits intégrés ordinaires sont fabriqués avec des rendements comparables à ceux obtenus pour des dispositifs semiconducteurs individuels. La même tendance conduira à des modèles économiques plus importants, si d'autres considérations rendront de tels modèles désirables.
Sera-t-il possible de dissiper la chaleur générée par des dizaines de miliers de composants sur une seule puce de silicone ?
Si nous pouvions réduire le volume d'un ordinateur digital standard à haute vitesse vers ce que requis pasr les composants eux-mêmes, nous nous attendrions à ce qu'il luise brillament avec l'actuelle dissipation de puissance; mais cela n'arrice pas avec les circuits intégrés. Du fait que les structures électroniques intégrées sont à deux dimensions, elles ont une surface disponible pour un refroidissement proche de chaque point de génération de chaleur. De plus, la puissance est requise initialement pour gérer les diverses lignes et capacités (électriques)[2] associées au système. Tant qu'une fonction est confinée à une petite surface sur une grille, la quantité de capacité qui peut être gérée est clairement limitée. En fait, réduire les dimensions sur un circuit intégré rend possible de faire fonctionner la structure à une plus grande vitesse pour la même puissance par unité de surface.
Clairement, nous serons capables ce fabriquer de tels équipements bourrés de composants. Ensuite, nous nous demandons en quelles circonstances nous devrions le faire. Le coût total pour construire un système de fonctions particulier doit être minimisé. Pour ce faire, nous devrions amortir l'ingénierie en faisant de nombreux éléments identiques, ou evoluer vers des techniques flexibles pour l'ingénierie de grandes fonctions lesquelles ne requéraient aucune dépense disproportionnée qui soit limitée par un quelconque arrangement. Les procédures de conception automatisée qui furent récemment discutées pourraient peut-être passer d'un diagramme logique à une réalisation technologique sans aucune ingénierie spécifique.
Il peut se montrer être plus économique de fabriquer de grands systèmes faits à base de petites fonctions, conditionnées séparément et interconnectées. La disponibilité de grandes fonctions, cobinée avec une conception et une construction fonctionnelles, pourrait autoriser le fabricant de grands systèmes à concevoir et construire une considérable diversité d'équipements à la fois rapidement et économiquement.
L'intégration ne modifiera pas les systèmes linéaires aussi radicalement que les systèmes digitaux. Toujours, un degré considérable d'intégration sera obtenu avec les circuits linéaires. Le manque de capacités et d'inducteurs pour de grandes valeurs sont les plus grandes limitations fondamentales pour l'électronique intégrée dans le domaine linéaire.
Par le vraie nature, de tels éléments requierent le stockage d'énergie dans un volume. Pour un Q important il est nécessaire que ce volume soit grand. L'incompatibilité entre grands volumes et électronique intégrée est évidente par les termes eux-mêmes. On peut attendre de certains phénomènes de résonnance, tels que ceux dans les cristaux piézo-électriques, qu'ils aient quelques applications pour des fonctions d'ajustement, mais inducteurs et capacités seront avec nous pour quelque temps.
L'amplificateur intégré r-f de l'avenir pourrait bien se consister en niveaux de gain intégrés, permettant de hautes performances au moindre coût, parsemé d'éléments relativement grands d'ajustement.
D'autres fonctions linéaires seront considérablement modifiées. L'appariement et la recherche d'éléments similaires dans les structures intégrées autorisera la conception l'amplificateurs différentiels aux performances grandement améliorées. L'usage d'effets homéostatiques thermiques pour stabiliser les structures intégrées vers une petite fraction d'un degré autorisera la construction d'oscillateurs avec un cristal pour la stabilité.
Même dans le domaine des micro-ondes, des structures incluses dans la définition de l'électronique intégrée deviendront de plus en plus importantes. La possibilité de fabriquer et d'assembler de petits composants, en comparaison des micro-ondes impliquées, autorisera l'utilisation d'un motif à paramètre bosselé (?), au moins aux plus basses fréquences. Il est difficile de prédire actuellement à quel point l'invasion du domaine des micro-ondes par l'électronique intégrée se fera. La réalisation réussie d'objets tels que les antennes à tableaux de phases, par exemple, utilisant une multiplicité de sources de puissance de micro-ondes intégrées, pourrait complètement révolutionner le radar.
[1]N.d.T. La partie de cette phrase à
partir de «qui se traduisent» est — jsutement — une traduction littérale, le
sens de ce passage m'ayant quelque peu échappé… Plus largement, ce texte n'est
pas une traduction, mais simplement une tentative en ce sens, pour permettre à mes
lecteurs non anglophones d'avoir une idée générale du propos. Pour avoir une idée
exacte du texte il faut se reporter à l'article original.
[2] Il me semble, sans certitude, que le terme traduit
ici comme “capacité(s) électrique(s)” désigne les (la) résistance(s). Le contexte,
d'ailleurs, l'induit.
| Voir aussi la version en anglais |
