Plus petit c’est parfois mieux : pourquoi les composants électroniques sont si petits

La deuxième loi la plus connue en électronique après la loi d’Ohm est peut-être la loi de Moore : le nombre de transistors qui peuvent être fabriqués sur un circuit intégré double tous les deux ans environ. Étant donné que la taille physique des puces reste à peu près la même, cela implique que les transistors individuels deviennent plus petits au fil du temps. Nous nous attendons à ce que de nouvelles générations de puces avec une taille de fonctionnalités plus petite se présentent à un rythme régulier, mais quel est exactement l’intérêt de rendre les choses plus petites ? Et fait plus petite signifie toujours meilleur?

Une taille plus petite signifie de meilleures performances

Au cours du siècle dernier, l’ingénierie électronique s’est considérablement améliorée. Dans les années 1920, une radio AM à la pointe de la technologie contenait plusieurs tubes à vide, quelques énormes inductances, condensateurs et résistances, plusieurs dizaines de mètres de fil pour servir d’antenne et une grande banque de batteries pour alimenter le tout . Aujourd’hui, vous pouvez écouter une douzaine de services de streaming musical sur un appareil qui tient dans votre poche et qui peut faire des millions de choses en plus. Mais la miniaturisation n’est pas seulement faite pour la facilité de transport : elle est absolument nécessaire pour atteindre les performances que nous attendons aujourd’hui de nos appareils.

Un module logique IBM 700
Un module d’un ordinateur IBM 700 des années 1950. Notez la taille énorme de tous les composants. Crédit : pilote automatique, CC BY-SA 3.0

Un avantage évident des composants plus petits est qu’ils vous permettent de regrouper plus de fonctionnalités dans le même volume. Ceci est particulièrement important pour les circuits numériques : plus de composants signifie que vous pouvez effectuer plus de traitements dans le même laps de temps. Par exemple, un processeur 64 bits peut, en théorie, traiter huit fois plus d’informations qu’un processeur 8 bits fonctionnant à la même fréquence d’horloge. Mais il a également besoin de huit fois plus de composants : les registres, les additionneurs, les bus, etc. deviennent tous huit fois plus gros. Il vous faudrait donc soit une puce huit fois plus grosse, soit des transistors huit fois plus petits.

La même chose vaut pour les puces mémoire : fabriquez des transistors plus petits et vous aurez plus d’espace de stockage dans le même volume. Les pixels de la plupart des écrans actuels sont constitués de transistors à couche mince, il est donc également logique de les réduire et d’atteindre une résolution plus élevée. Cependant, il y a une autre raison cruciale pour laquelle les transistors plus petits sont meilleurs : leurs performances augmentent massivement. Mais pourquoi exactement ?

Tout est question de parasites

Un schéma illustrant les capacités parasites d’un transistor. Crédit : Michel Bakni, CC BY-SA 4.0

Chaque fois que vous fabriquez un transistor, il est fourni gratuitement avec quelques composants supplémentaires. Il y a une résistance en série avec chacune des bornes. Tout ce qui transporte un courant a également une auto-inductance. Et enfin, il y a une capacité entre deux conducteurs qui se font face. Tous ces effets consomment de l’énergie et ralentissent le transistor. Les capacités parasites sont particulièrement gênantes : elles doivent être chargées et déchargées à chaque fois que le transistor s’allume ou s’éteint, ce qui prend du temps et du courant de l’alimentation.

La capacité entre deux conducteurs est fonction de leur taille physique : des dimensions plus petites signifient des capacités plus petites. Et parce que des capacités plus petites signifient une vitesse plus élevée ainsi qu’une puissance inférieure, des transistors plus petits peuvent fonctionner à des fréquences d’horloge plus élevées et dissiper moins de chaleur tout en le faisant.

La capacité n’est pas le seul effet qui change lorsque vous réduisez la taille d’un transistor : de nombreux effets étranges de mécanique quantique apparaissent qui ne sont pas apparents pour les appareils plus gros. En général, cependant, rendre les transistors plus petits les rend plus rapides. Mais l’électronique ne se limite pas aux transistors. Comment les autres composants se comportent-ils lorsque vous les réduisez ?

Pas si vite

En général, les composants passifs comme les résistances, les condensateurs et les inductances ne s’améliorent pas beaucoup lorsque vous les réduisez : à bien des égards, ils s’aggravent. La miniaturisation de ces composants se fait donc principalement pour pouvoir les presser dans un volume plus petit, et ainsi économiser de l’espace PCB.

Les résistances peuvent être réduites en taille sans trop de pénalité. La résistance d’un morceau de matériau est donnée par bf R= rho frac{textit{l}}{A}, où je est la longueur, UNE la section transversale et ?? la résistivité du matériau. Vous pouvez simplement réduire la longueur et la section transversale et vous retrouver avec une résistance physiquement plus petite, mais qui a toujours la même résistance. Le seul inconvénient est qu’une résistance physiquement petite chauffe plus qu’une plus grande lorsqu’elle dissipe la même quantité d’énergie. Par conséquent, les petites résistances ne peuvent être utilisées que dans des circuits de faible puissance. Le tableau montre comment la puissance nominale maximale des résistances CMS diminue à mesure que leurs dimensions sont réduites.

Métrique Impérial Puissance nominale (W)
2012 0805 0,125
1608 0603 0,1
1005 0402 0,06
0603 0201 0,05
0402 01005 0,031
03015 009005 0,02
Une mine de crayon de 0,5 mm avec trois petites résistances SMD
Petit, plus petit, le plus petit : des résistances minuscules par rapport à une mine de crayon mécanique de 0,5 mm. Crédit : Rohm Semiconductor

Aujourd’hui, les plus petites résistances que vous pouvez acheter sont de taille métrique 03015 (0,3 mm x 0,15 mm). Avec une puissance nominale de seulement 20 mW, ils ne sont utilisés que dans des circuits qui dissipent très peu de puissance et sont extrêmement contraints en volume. Un boîtier métrique 0201 encore plus petit (0,2 mm x 0,1 mm) a été annoncé, mais n’est pas encore en production. Mais même lorsqu’ils apparaissent dans les catalogues des fabricants, ne vous attendez pas à ce qu’ils apparaissent partout : la plupart des robots pick-and-place ne sont pas assez précis pour les manipuler, ils resteront donc probablement un produit de niche.

Les condensateurs peuvent également être réduits, mais cela réduit leur capacité. La formule pour calculer la capacité d’un condensateur parallèle est bf C=varepsilon frac{A}{d}, où UNE est l’aire des plaques, est la distance entre eux, et ?? est la constante diélectrique (une propriété du matériau au milieu). Si vous miniaturisez un condensateur, qui est essentiellement un appareil plat, vous devez réduire la surface et donc la capacité. Si vous souhaitez toujours emballer beaucoup de nanofarads dans un petit volume, la seule option est d’empiler plusieurs couches les unes sur les autres. Grâce aux progrès des matériaux et de la fabrication, qui permettent également aux films minces (petits ) et des diélectriques spéciaux (avec ??), les condensateurs ont considérablement diminué en taille au cours des dernières décennies.

Une image d'un condensateur à plaques parallèles.
Un condensateur à plaques parallèles idéalisé. Crédit : charge inductive, domaine public

Les plus petits condensateurs disponibles aujourd’hui sont conditionnés dans le boîtier métrique 0201 ultra-petit : seulement 0,25 mm x 0,125 mm. Leur capacité est limitée à 100 nF encore utiles avec une tension de fonctionnement maximale de 6,3 V. Encore une fois, ces emballages sont si petits qu’un équipement de pointe est nécessaire pour les traiter, ce qui limite leur adoption généralisée.

Pour les inducteurs, l’histoire est un peu plus délicate. L’inductance d’une bobine droite est donnée par bf L= mu frac{N^{2}A}{textit{l}}, où N est le nombre de tours, UNE est la section transversale de la bobine, je est sa longueur et ?? est une constante matérielle (la perméabilité magnétique). Si vous réduisez toutes les dimensions de moitié, vous réduisez également de moitié l’inductance. Cependant, la résistance du fil reste la même : c’est parce que la longueur et la section du fil sont toutes deux réduites au quart de leur valeur d’origine. Cela signifie que vous vous retrouvez avec la même résistance pour la moitié de l’inductance, et donc vous avez divisé par deux le facteur de qualité (Q) de votre bobine.

Une règle avec trois très petits condensateurs à côté
Quasiment invisible : trois condensateurs 0201 (métriques). Crédit image: Murata Electronics

Les plus petites inductances discrètes disponibles dans le commerce sont au format impérial 01005 (0,4 mm x 0,2 mm). Celles-ci vont jusqu’à 56 nH, avec plusieurs Ohms de résistance. Les inducteurs du boîtier métrique ultra-petit 0201 ont été annoncés en 2014, mais n’ont apparemment jamais été mis sur le marché.

Des efforts ont été faits pour contourner les limitations physiques de l’inducteur en utilisant un phénomène appelé inductance cinétique, qui peut être observé dans des bobines en graphène. Mais même cela donne une amélioration de peut-être 50 %, si cela peut être réalisé d’une manière commercialement viable. Au final, les bobines ne se miniaturisent tout simplement pas très bien. Mais cela ne doit pas être un problème si vos circuits fonctionnent à des fréquences élevées. Si vos signaux sont dans la gamme des GHz, alors une bobine de quelques nH suffit souvent.

Il n’y a pas que les composants

Cela nous amène à une autre chose qui a été miniaturisée au cours du siècle dernier, mais que vous ne remarquerez peut-être pas tout de suite : les longueurs d’onde que nous utilisons pour la communication. Les premières émissions de radio utilisaient des fréquences AM à ondes moyennes autour de 1 MHz, avec une longueur d’onde d’environ 300 mètres. La bande FM centrée autour de 100 MHz, soit trois mètres, s’est popularisée vers les années 1960, alors qu’aujourd’hui on utilise majoritairement des communications 4G autour de 1 ou 2 GHz, soit environ 20 cm. Des fréquences plus élevées signifient plus de capacité à transmettre des informations, et c’est à cause de la miniaturisation que nous avons des radios bon marché, fiables et économes en énergie fonctionnant à ces fréquences.

Le rétrécissement des longueurs d’onde a permis de rétrécir les antennes, car leur taille est directement liée à la fréquence dont elles ont besoin pour émettre ou recevoir. Le fait que les téléphones portables d’aujourd’hui n’aient pas besoin d’antennes longues en saillie est dû au fait qu’ils communiquent exclusivement sur des fréquences GHz, pour lesquelles les antennes n’ont besoin que d’environ un centimètre de long. C’est aussi pourquoi la plupart des téléphones qui contiennent encore un récepteur FM vous obligent à brancher votre casque avant de l’utiliser : la radio doit utiliser les fils du casque comme antenne pour obtenir une puissance de signal suffisante de ces ondes d’un mètre de long.

Quant aux circuits connectés à nos minuscules antennes, ils deviennent en réalité plus faciles à réaliser lorsqu’ils sont plus petits. Ce n’est pas seulement parce que les transistors deviennent plus rapides, mais aussi parce que les effets de la ligne de transmission sont moins problématiques. En un mot, lorsqu’un morceau de fil est plus long qu’environ un dixième de longueur d’onde, vous devez prendre en compte le déphasage sur sa longueur lors de la conception de votre circuit. À 2,4 GHz, cela signifie qu’un seul centimètre de fil affecte déjà votre circuit ; un vrai casse-tête si vous soudez des composants discrets ensemble, mais pas un problème si vous disposez des circuits sur quelques millimètres carrés.

Jusqu’où pouvez-vous descendre ?

C’est devenu un thème récurrent dans le journalisme technologique soit de prédire la disparition de la loi de Moore, soit de montrer en quoi ces prédictions sont fausses à maintes reprises. Il n’en reste pas moins que les trois joueurs toujours en compétition à la pointe de ce jeu – Intel, Samsung et TSMC – continuent à intégrer toujours plus de fonctionnalités dans chaque micron carré et prévoient plusieurs générations de puces améliorées dans le futur. Même si les progrès qu’ils accomplissent à chaque étape ne sont peut-être pas aussi importants qu’il y a deux décennies, la miniaturisation des transistors se poursuit néanmoins.

En ce qui concerne les composants discrets, cependant, il semble que nous ayons atteint une limite naturelle : les rendre plus petits n’améliore pas leurs performances, et les plus petits composants actuellement disponibles sont plus petits que ce dont la grande majorité des cas d’utilisation ont besoin. Il ne semble pas y avoir de loi de Moore pour les discrets, mais s’il y en avait une, nous aimerions voir jusqu’où on pourrait pousser le SMD Soldering Challenge.

Image d’en-tête : Jon Sullivan, domaine public.