Les puces informatiques sont fabriquées dans des salles blanches, des zones sans poussière remplies d'appareils extrêmement précis. A Louvain, chez imec, il existe deux salles blanches de ce type.
Les scientifiques conçoivent les processus de fabrication des futures générations de chips, un travail comparable à la préparation des recettes compliquées d'une cuisine trois étoiles. C'est aussi un travail qui devient de plus en plus difficile à mesure que les pièces sur les puces deviennent plus petites.
L'Imec (Centre Interuniversitaire de Micro-Electronique) est l'un des principaux centres de recherche au monde où se perfectionne la technologie des futures générations de puces. Cela se fait en collaboration avec les fabricants de puces, mais aussi avec les entreprises qui fabriquent les appareils et développent les matériaux utilisés. Ensemble, ils rechercheront de nouveaux procédés améliorés pour fabriquer de futures puces.
Vous pouvez comparer un tel processus à l'exécution d'une recette pour faire un gâteau, par exemple. Mais une recette très complexe, une description très précise de toutes les étapes que vous devez franchir, de la manière dont vous devez configurer les différents appareils, et des ingrédients dont vous avez besoin.
La base sur laquelle vous fabriquez les chips, la pâte à tarte, est un disque de silicium, aussi appelé wafer. Les disques utilisés dans la salle blanche la plus moderne d'imec ont un diamètre de 300 mm, sur lesquels on peut faire, par exemple, 70 000 puces de 1 mm², soit environ 700 puces de 1 cm².
La salle blanche contient toute une série d'appareils avancés, dont chacun effectue une étape du processus de production. Une recette complète peut comprendre 250 étapes qui, ensemble, peuvent prendre quelques mois (la salle blanche d'imec fonctionne 24 heures sur 24, 7 jours sur 7). À la fin, le gâteau, la plaquette de silicium finie, est découpé et les puces individuelles sont emballées et testées.
L'élément de base d'une puce est le transistor, un interrupteur que vous pouvez activer ou désactiver. Ces transistors sont connectés ensemble dans des circuits simples, tels que des cellules de mémoire ou des portes logiques. Et ceux-ci sont à leur tour connectés dans des ensembles de plus en plus complexes, tels que des circuits pour additionner ou multiplier des nombres.
Depuis le début de la production de puces, les fabricants ont réussi à proposer une nouvelle génération de puces en moyenne tous les 18 mois. Il contient deux fois plus de transistors que la génération précédente à peu près au même prix. C'est cette tendance appelée loi de Moore, du nom de Gordon Moore, l'un des fondateurs d'Intel. En raison de cette évolution, les puces récentes contiennent plus d'un milliard de transistors dont la taille ne dépasse pas quelques dizaines de nanomètres.
Pour avoir une idée de ce que cela signifie réellement, imaginez que vous agrandiriez une puce d'un demi-centimètre carré en un terrain de football, d'un demi-hectare. Ensuite, tout ce terrain de football serait recouvert de blocs, de fosses et de fils de seulement un millimètre de taille ou d'épaisseur.
De plus, une telle puce est toujours constituée de couches. La couche inférieure est constituée des transistors réels fabriqués dans le silicium. Il peut y avoir jusqu'à 10 couches au-dessus. Ils forment une forêt de fils métalliques qui relient les transistors pour former des circuits complexes de calcul et de mémoire.
Dans un environnement urbain typique, vous pouvez facilement compter 35 millions de particules de poussière de plus d'un demi-micromètre dans un mètre cube d'air. Rien qu'en bougeant, en respirant et au contact de notre environnement, nous produisons nous-mêmes jusqu'à 5 millions de particules de ce type par minute.
Si nous poursuivons la comparaison avec notre terrain de football, cela signifierait que les fils millimétriques sont constamment bombardés de dizaines de milliers de grêlons épais. Après un court laps de temps, bien sûr, nous n'aurons plus une seule puce fonctionnelle.
Pour éviter cela, les copeaux sont produits dans une salle blanche où le moins de particules de poussière possible flottent. Dans la salle blanche de 300 mm d'imec, par exemple, l'air frais est soufflé à travers le plafond dans la salle blanche. Ce plafond est équipé de filtres HEPA très efficaces qui peuvent éliminer les particules jusqu'à 0,3 µm. L'air circule ensuite dans la pièce et est évacué à travers les dalles de sol perforées. La vitesse de l'air relativement élevée - jusqu'à un demi-mètre par seconde - empêche les particules de poussière des machines ou des personnes de se déposer sur quoi que ce soit. De plus, la salle blanche est également sous une légère surpression, une mesure supplémentaire pour empêcher la poussière d'entrer. Et pour éviter au maximum que les personnes présentes dans la salle blanche produisent elles-mêmes des particules de poussière, elles portent des vêtements adaptés et sans poussière.
Supposons en outre que vous deviez tracer des lignes parallèles sur notre terrain de football à une distance d'un millimètre les unes des autres. Mais les lignes ne doivent jamais se toucher. Pour cela, vous avez besoin d'un équipement qui ne présente aucune déviation ni vibration. Pour rendre cela possible, la température et l'humidité dans la salle blanche sont maintenues dans des limites très étroites. De plus, le bâtiment et les machines sont conçus de manière à ce qu'aucune vibration ne se produise.
Les analystes prédisent que la loi de Moore expirera, qu'il ne sera plus possible d'avoir plus de transistors sur une puce. Et les scientifiques travaillent en effet depuis un certain temps à rendre les transistors plus rapides au lieu de simplement plus petits. En conséquence, les nouvelles puces sont toujours deux fois plus rapides, bien qu'elles ne contiennent plus exactement deux fois plus de transiteurs. Les chercheurs de l'imec sont convaincus qu'ils peuvent proposer des solutions pour un certain nombre de futures générations de puces. Celles-ci consisteront par exemple à travailler avec d'autres matériaux, ou encore à empiler verticalement les transistors. Enfin, ils réfléchissent aussi à doter les puces de modules qui calculent différemment. Les exemples sont les puces neuromorphiques qui imitent le fonctionnement et l'efficacité de notre cerveau, ou les puces quantiques qui utilisent les propriétés de la physique quantique pour accélérer les calculs plusieurs fois.
