De la « loi de Moore » à
l’ordinateur individuel
21 novembre 2003
Le silicium (Si) est, après
l’oxygène, le constituant le plus massif et donc le plus répandu de la
Terre. Le silex, constitué de silice pure (ou dioxyde de silicium SiO2 ),
a servi il y a 2,5 millions d'années de matière première aux premiers
outils, armes et parures fabriqués par l’Homo habilis en Afrique de
l'Est.
Par la suite l’être humain a abondamment utilisé le silicium sous forme de céramique,
de brique, puis de verre et de porcelaine. Le silicium pur cristallisé, produit
par l’industrie chimique à partir de verres de silice (« quartz »)
sert de matière première aux « puces » de la microélectronique.
Le silicium est intimement lié
à l’histoire de notre espèce. Peu coûteux en raison de son abondance, il se
trouve avoir des propriétés électroniques très particulières. Elles expliquent à
la fois le tranchant des arêtes du silex, la diversité de ses utilisations,
enfin les performances des circuits intégrés.
Du
processeur au microprocesseur
Le
processeur est la partie centrale et aussi la partie la plus complexe
d’un ordinateur. Il comprend les registres et la machine qui exécute les opérations
commandées par le programme. Les ingénieurs qui conçoivent
un processeur doivent arbitrer en fonction d’un grand nombre de facteurs économiques
et techniques : il en est résulté une diversité de solutions qui a
rendu les premiers ordinateurs mutuellement incompatibles. Pour un
utilisateur, il était coûteux de changer de fournisseur car il aurait fallu
réécrire les programmes pour les adapter à une autre machine.
Le
microprocesseur, processeur intégré sur une seule puce, a introduit un
standard de fait : Intel vend ses microprocesseurs à qui veut les
acheter comme de simples composants qui dispensent le client des études les
plus complexes et les plus coûteuses.
La mise en exploitation des
possibilités des circuits intégrés requiert la maîtrise de plusieurs
techniques délicates. Elle a donc été progressive. Cette progressivité
explique la « loi de Moore » (doublement des performances tous les
18 mois) qui elle-même explique la montée des performances et la baisse
du prix des ordinateurs, donc l’émergence de l’ordinateur individuel, puis
la pénétration et la généralisation de l’ordinateur dans les entreprises
et la société.
Du transistor au microprocesseur
En 1947, trois chercheurs des
Bell Labs d’AT&T (John Bardeen, Walter Brattain et Robert Shockley) découvrent
le « transistor » (« transfer resistor »). Leur invention
s’appuie sur le fait qu’il est possible de contrôler le flux
d’électricité dans le germanium (il sera remplacé ensuite par le silicium) en
faisant en sorte que certaines zones soient conductrices et d’autres
isolantes, d’où le terme « semi-conducteur ». Comparé au tube à
vide, technologie auparavant dominante, le transistor se révélera plus fiable,
moins consommateur d’énergie et susceptible de miniaturisation.
Les premiers transistors étaient
faits à la main dans des conditions rustiques si on les compare aux « salles
blanches » actuelles. Les rendements étaient bas (de 20 à 30 %) et les
performances variables. Les progrès techniques ont d’abord concerné la
maîtrise du processus de production.
Le circuit intégré
(circuit électronique comportant plusieurs transistors sur une même pièce de
matériau semi-conducteur) est inventé en 1958 par Jack Kilby.
Pendant les années 50 une
nouvelle industrie se crée. La fabrication des semi-conducteurs fait
d’importants progrès : le processus de diffusion consiste à diffuser des
impuretés (« dopants ») directement sur leur surface, ce qui supprime le processus fastidieux d'ajout de diverses
couches de matériaux isolants et conducteurs sur le substrat. Des techniques
photographiques permettent de projeter le dessin de masques compliqués sur
le semi-conducteur de sorte que la diffusion ne se produise que sur les surfaces
souhaitées.
Jean Hoerni, de Fairchild
Semiconductor, introduisit en 1959
une troisième innovation essentielle : il observa que les techniques de
diffusion et de photographie permettaient de se libérer des complications du
transistor à trois dimensions en dessinant des transistors plans (« planars »).
Il devenait alors possible de faire les connections électriques non plus à la
main, mais en déposant un film par condensation de vapeur métallique sur les
parties appropriées du semi-conducteur. Moore a fait de l’invention du
transistor plan en 1959 le point de départ de la « loi de Moore ». Fairchild Semiconductor
produisit le premier circuit intégré utilisant cette technique en 1961.
Ces techniques permettront de
passer de la production manuelle à la production industrielle de série avec une
meilleure qualité. Les progrès des processus de
production et des techniques se sont ensuite poursuivis. Les méthodes
photographiques sont devenues de plus en plus précises, grâce notamment à
l’emprunt de techniques de photolithographie conçues pour l’imprimerie.
Les premiers circuits intégrés
étaient des mémoires. Le microprocesseur, qui est avec l’ampoule électrique
et le téléphone l’une des plus grandes inventions de la technique américaine,
est créé en 1971 par Intel.
Origines et
évolution du microprocesseur
Intel
a été créée en 1968 à
Santa Clara, dans la Silicon Valley, par Robert Noyce, Gordon Moore et Andy
Grove. Ces trois ingénieurs de Fairchild Semiconductor venaient de quitter
cette entreprise en raison d’un désaccord sur sa stratégie. Sur la base
d’un business plan d’une page tapé à la machine par Robert Noyce,
(ci-dessous), Art Rock, le « venture capitalist » de San Francisco
qui avait financé le démarrage de Fairchild et connaissait les qualités
professionnelles des trois ingénieurs, avança les 2,5 millions de dollars nécessaires.
Business
Plan d’Intel, 1968
-
The
company will engage in research, development, and manufacture
and
sales of integrated electronic structures in order to fulfill the needs of
electronic
systems manufacturers. This
will include thin films, thick
films,
semiconductors devices, and other solid states components used in
hybrid
and monolithic integrated structures.
-
-
A variety of processes wil
be established, both at a laboratory
and
production level. These
include crystal growth, slicing, lapping,
polishing,
solid state diffusion, photolithographic masking and etching,
vacuum
evaporation, film deposition, assembly, packaging, and testing,
as
well as the development and manufacture of special processing and
testing
equipment required to carry out these processes.
-
-
Products may include
diodes, transistors, field effect devices,
photo
sensitive devices, photo emitting devices, integrated circuits,
and
subsystems commonly referred to by the phrase
“large
scale integration.”
Principle
customers for these products are expected to be the manufac-
turers
of advanced electronic systems for communications, radar, control
and
data processing. It is
anticipated that many of these customers
will
be located outside California.
Intel
a initialement produit des mémoires.
Busicom, fabricant japonais de machines
à calculer, lui demande en 1969 de mettre au point douze circuits intégrés
pour assurer les fonctions de ses machines. Un ingénieur d’Intel, Ted Hoff,
propose de concevoir un circuit intégré programmable unique pour réaliser
l’ensemble de ces fonctions. Noyce et Grove approuvent cette solution, ainsi
que Busicom. Le travail est réalisé en neuf mois sous la direction de
Federico Faggin.
Le 4004 est annoncé en novembre 1971. C’est le premier
microprocesseur. Il comprend 2300 transistors, tourne à 108 kHz et a autant
de puissance de calcul que l’ENIAC. Il utilise un « chemin de données à
4 bits » (4 chiffres binaires traités en parallèle), ce qui le
rend utilisable pour des automatismes ou des calculettes mais non pour
construire un ordinateur.
Intel
rachète pour 60 000 $ les droits de Busicom sur le 4004 (peu après, Busicom
fera faillite). Il faut trouver d’autres clients. Intel se lance dans une
communication active pour convaincre la profession d’écrire des logiciels
pour le 4004 et de l’utiliser pour des automatismes comme le contrôle des
feux de circulation.
En
avril 1972 Intel produit le 8008. C’est un processeur à 8 bits, ce qui
permet à quelques pionniers de construire un ordinateur autour du
microprocesseur. En 1973 sort
le Micral de R2E ; Byte le baptise en juin 1973 du terme « microcomputer ».
Le micro-ordinateur est né mais il ne rencontrera le succès commercial
qu’avec l’Altair (1974) qui utilisera le 8080 d’Intel sorti en 1974 et
surtout avec l’Apple II (1977) qui utilise le 6502 de MOS Technologies,
sorti en 1976.
En
1974, Motorola, entreprise d’électronique créée en 1928 à Chicago et spécialisée dans les circuits intégrés, produit son premier
microprocesseur, le MC6800 à 8 bits. Il comporte 4 000 transistors. Apple
adoptera le processeur 16 bit
68000 de Motorola, sorti en 1979, pour le Lisa (1983), puis pour le Macintosh
(1984).
Intel
et Motorola produisent des microprocesseurs, mais ils ne sont pas les seuls :
on peut citer AMD (Advanced Micro Devices, Sunnyvale, Californie) qui
produit depuis 1991 des clones de microprocesseurs Intel, ainsi qu’IBM qui
produit des PowerPC. Certaines entreprises dites « fabless » (sans
fabrication) conçoivent des microprocesseurs qu'elles font fabriquer
sur plan par un « fondeur » : c'est le cas de Sun qui fait
fabriquer le SPARC par Texas Instruments, de Silicon Graphics avec le MIPS
etc.
Le
Pentium 4 de 2000 possède 42 millions de transistors et tourne à 1,5 GHz. Il
permet à l’utilisateur de produire des films, diffuser de la télévision
sur l’Internet, communiquer par la voix et l’image, afficher des
graphiques 3D en temps réel, coder de la musique au format MP3, et de faire
tourner simultanément plusieurs applications multimédia tout en restant
connecté à l’Internet.
La loi de Moore
En 1965, Gordon E. Moore était
directeur de la recherche et du développement à Fairchild Semiconductor. Préparant
un exposé sur l’évolution des performances des mémoires, il constata que la
capacité des « puces » avait
à peu près doublé chaque année de 1959
à 1965. Il fit l'hypothèse que cette tendance allait se poursuivre. C’est cette hypothèse que l’on
appelle « loi de Moore ». Elle était hardie, puisque Moore ne
disposait que de cinq observations pour l’étayer.
Moore publia sa découverte
dans son article « Cramming
more components into integrated circuits », Electronics, 19
avril 1965. Cet article devenu célèbre a encouragé les chercheurs à
anticiper sur la croissance des performances et à concevoir des systèmes
utilisant une puissance très supérieure à celle disponible lors de leurs
recherches.
Il a ainsi suscité une forte accélération de l’innovation.
Voici la phrase essentielle de
cet article : « The
complexity for minimum components costs has increased at a rate of roughly a
factor of two per year. Certainly over the short term this rate can be expected
to continue, if not to increase. Over the long term, the rate of increase is a
bit more uncertain, although there is no reason to believe it will not remain
nearly constant for at least 10 years. That means by 1975, the number of
components per integrated circuit for minimal cost will be 65,000. »
Le raisonnement de Moore
comporte deux étapes. Il examine d’abord l'évolution de la fonction de coût
des circuits intégrés, plus précisément la relation entre le coût moyen de
production par composant et la complexité du circuit. Cette fonction est
d'abord décroissante, puis croissante : il existe donc un niveau de complexité
pour lequel le coût moyen d'un composant intégré sur le circuit est minimal.
C'est ce niveau que des producteurs rationnels choisiront car il procure le
meilleur rapport efficacité/coût. Ensuite, Moore constate que ce niveau
optimal de complexité est multiplié chaque année par deux.
Moore ne dit pas que le coût
de production des circuits intégrés restera stable dans le temps
malgré l’augmentation de sa complexité. Rien, dans la loi de Moore,
ne le garantit.
Le coût de production des
circuits intégrés dépend peu de la quantité produite : c’est une
production à coût fixe.
Le coût de mise en production croît avec le niveau de complexité (la
conception de l’Itanium a coûté à Intel 2 milliards de dollars,
et pour le mettre en production il faut encore construire une usine coûteuse).
Le coût moyen de production résulte de la division de ce coût fixe par le
nombre d’unités vendues ; le prix est égal au coût moyen augmenté
d’une marge que le fournisseur peut s’attribuer puisqu’il est en situation
de monopole (ou de duopole si l’on suppose que le consommateur peut choisir
entre Intel et Motorola).
La stratégie des fabricants de
microprocesseurs est subtile : ils doivent dégager assez de profit
pour financer la recherche et la croissance, mais aussi pratiquer des prix assez
bas pour que le débouché de leurs produits puisse croître. Or le marché des
ordinateurs est capricieux : formé de l’addition d’un marché de
premier équipement et d’un marché de renouvellement, il est sensible à la
mode dans sa première composante et à la conjoncture dans la deuxième.
Il faut cadencer l’innovation pour le relancer périodiquement. On peut vendre
cher les premiers microprocesseurs d’une nouvelle série, puisqu’ils
procurent un gain de compétitivité (physique ou médiatique, peu importe ici)
aux ordinateurs qui les utilisent ; puis il faut baisser leur prix pour élargir
leur pénétration. L’évolution du prix des microprocesseurs résulte de
l’ensemble de ces phénomènes ; si sa modélisation comporte la loi de
Moore, elle ne s’y résume pas.
Étapes
de la production d’un microprocesseur
La
production des cristaux de silicium, matière première de base, suit un
processus chimique dont le coût de revient est minime.
A
partir d'un germe de cristal, la silice hautement purifiée croît en un long
cylindre à l'intérieur d'un creuset à haute température. Puis ce cylindre
est découpé en tranches fines par une scie au diamant.
Les
tranches de silicium sont ensuite soumises à des manipulations de type
photographique qui gravent les couches incorporant la logique et la physique
du circuit intégré. Le coût de production des circuits intégré est donc
essentiellement composé (a) du coût de conception des « masques » qui
permettent le dessin des circuits, (b) du coût des équipements automatiques
et hautement protégés (notamment contre les poussières) qui assurent la
production. Il ne dépend pratiquement pas du nombre de circuits intégrés
produits (production « à coût fixe »).
1)
Chaque tranche est nettoyée à l'acide, puis placée dans un four à haute
température où sa surface est oxydée.
2)
La tranche est recouverte d'un produit photosensible et le dessin du premier
niveau du circuit est projeté à travers un masque par un faisceau de rayons
ultraviolets. Puis les surfaces impressionnées par ce faisceau sont enlevées
par de l'acide. Le processus est répété pour chaque niveau du circuit. La
tranche est traitée avec des impuretés chimiques positives ou négatives qui
créent les zones conductrices. Finalement, elle est revêtue d'un enduit qui
protège sa surface et empêche les fuites de charges électriques.
3)
Les puces comportant des fautes sont repérées sur la tranche par inspection
visuelle et test informatique. Puis les puces sont découpées et collées sur
un support. De minuscules fils sont soudés pour connecter le support aux
points de contact de la puce, un couvercle est placé sur la puce et scellé
pour la protéger.
4)
Le microprocesseur est mis pendant plusieurs jours dans un four à basse température
pour simuler son utilisation à long terme. Il est ensuite testé et les
microprocesseurs à basse performance sont éliminés.
En 1975, Moore réévalua le
rythme de croissance : désormais elle procédait par doublement tous
les 18 mois et non tous les ans. Néanmoins elle restait exponentielle. Elle
s’écrit donc, en notant ct le nombre de composants sur une puce
l’année t :
ct = c1975 2
( t - 1975 ) / 1,5
L’accroissement de la densité
des composants permet d’augmenter les performances : lorsque la distance
entre transistors se réduit la vitesse de traitement s’accroît, et on peut
introduire sur la puce des fonctions auparavant remplies par d’autres équipements
comme la carte graphique, le modem ou le contrôle de la mémoire.
Illustration
de la loi de Moore
En 1995, Moore vérifia que la
progression prévue avait bien été respectée. Cependant lors du forum des développeurs
d’Intel de septembre 1997 il a déclaré que l’accroissement de la densité
des microprocesseurs pourrait atteindre vers 2017 une limite physique : celle
de la taille des atomes.
L’évolution des performances
que décrit la loi de Moore résulte de la mise en exploitation progressive
d’un phénomène naturel : il s'agit d’utiliser les possibilités que recèle
le silicium. Lorsque la croissance s'arrêtera vers 2017 nous disposerons de
processeurs et de mémoires 215/1,5 = 1024 fois plus puissants
qu’en 2002. L'informatique sera donc qualitativement différente de celle que
nous connaissons aujourd’hui. Aurons-nous alors répondu à toutes les
questions que pose l’utilisation de cette ressource ? C’est peu probable.
Ces questions relevant de l’organisation des entreprises et de la vie en société,
elles concernent tout le monde et ne pourront donc pas se régler aussi vite que
ne le font les questions techniques traitées par des ingénieurs « pointus ».
L'utilisation de la « ressource
naturelle» que constitue le silicium, matière peu coûteuse mais riche en
potentialités, nous occupera pendant le XXIe siècle et sans doute encore
par la suite.
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