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En cette fin janvier, à l’occasion de l’annonce par Intel des technologies «high-k» et «metal gate» pour son process de fabrication en 45 nanomètres, nous avons voulu revenir sur les technologies de fabrication d’un processeur pour mieux comprendre si, oui ou non, ces avancées sont aussi importantes que le fondeur historique le prétend.
Nous aurions probablement pu appeler cet article « Tout ce que vous n’avez jamais voulu savoir sur les transistors mais qui vous fera tout de même briller dans les dîners ». On s’est dit que c’était un peu long. Vous saisissez tout de même l’idée : nous allons parcourir des sujets liés à la fabrication d’un processeur comme la photolithographie, nous parlerons un peu de physique et même pour finir d'un peu de mécanique quantique. Dernier détail, vous brillerez dans les diners, certes, mais ceux de type mondains. N’essayez pas en galante compagnie, on a déjà tenté pour vous, ça ne marche pas trop…
Paroles, paroles, paroles...
En cette fin de mois de janvier, Intel vient d’annoncer deux nouveautés dans la fabrication des processeurs. Ce sont de nouveaux matériaux utilisés dans le processus de fabrication, regroupés dans les appellations « high-k » et « metal gate ». Comme souvent dans ce genre de cas, l’annonce est accompagnée de termes qui font dans la démesure : "avancée significative, révolutionnaire, nous sommes les premiers, nous avons une technologie d’avance…". Pour insister sur le caractère exceptionnel, nous avons droit à des citations de star (du milieu [de l’informatique]) comme Gordon Moore (celui qui fait la loi) qui nous dit que « l’implémentation des matériaux (…) marque le plus gros changement dans les technologies de transistors (…) depuis la fin des années 60 ». Comme Gordon est un employé émérite d’Intel, il faut ajouter un peu de support extérieur de la part de gens estimables. Des professeurs d’universités par exemple ! Dimitri Antoniadis du MIT nous clame que c’est un « événement historique » et que « la démonstration de fabricabilité de cette solution par Intel est une première remarquable ». Yoshio Nishi, professeur à Stanford nous dit « qu’en tant que chercheur dans ce milieu » il est « plaisamment surpris par l’annonce » et tient à « féliciter les chercheurs d’Intel ». Emoustillant, n’est ce pas ?
Afin de voir si la montagne d’éloges correspond à un minimum de fond, nous allons revenir sur les principes de construction d’un processeur et voir à quel niveau s’intègrent les nouveaux « matériaux » d’Intel. Nous reviendrons également sur les stratégies d’Intel et d’AMD pour le 45 nanomètres afin de voir les potentiels des technologies.
La théorie du slip de bain™
Pour comprendre ce qu’est la photolithographie, nous allons faire une expérience simple. Imaginez une plage de sable fin, grand soleil, et vous-même (NDLR : et non Christina dont Guillaume semble être fan) en slip de bain allongé sur une serviette. Vous vous endormez deux à trois heures. En vous réveillant, deux constatations s’imposent. Les rayons UV émis par le soleil ont fait réagir les cellules de votre peau qui ont produit de la mélanine. Première constatation, donc, vous avez bronzé. La deuxième constatation viendra lorsque vous irez prendre une douche. En retirant votre slip de bain, vous vous apercevrez que la zone qu’il recouvrait n’est pas bronzée. Votre maillot a agi comme un masque qui a empêché la réaction avec votre peau. Imaginons maintenant que l’on place le slip de bain non plus sur vous, mais assez proche du soleil (on imaginera qu’il ne prend pas feu, pour l’exercice). Vous allez projeter une zone d’ombre sous forme de slip géant sur la surface de la terre. Bien qu’amusant, le but recherché est de reproduire la même marque de maillot que vous aviez obtenu lorsqu’il était sur vous. Pour que le masque (votre maillot) soit projeté à la bonne taille, on pourra utiliser une série de lentilles pour concentrer la lumière (un peu comme lorsque MacGyver utilise un verre de montre pour faire du feu) produite par le soleil, et donc réduire la taille finale du masque. Avec un peu de précision, on peut reproduire alors sur votre personne la même marque de maillot.
Je vois déjà des esprits chagrins se demander à quoi bon envoyer des lentilles et des slips de bains dans l’espace pour obtenir le même résultat qu’un bronzage traditionnel. Certes, mais il y a deux avantages cependant. En concentrant la lumière, on réduit le temps d’exposition nécessaire pour faire réagir votre peau. C’est tout de même pratique. Deuxième avantage proposé par notre système de réduction par lentilles : la précision. Votre slip de bain en tissu n’était pas parfait. Il a été découpé et cousu à la machine, de petits fils dépassent de ci de là, et la marque qu’il crée n’est pas forcément parfaite d’un point de vue microscopique. Etant donné que l’on utilise des lentilles pour réduire la taille du masque, libre à nous de créer un maillot de bain géant, 4 fois plus grand que l’original par exemple. Du coup, une mini imperfection apparaitra comme projetée quatre fois plus petite (imaginez une photocopie avec rétrécissement 4x) et deviendra insignifiante.
Et la photolithographie dans tout ça ?
Si vous avez compris la théorie du slip de bain™, la photolithographie ne vous posera aucun problème puisque le principe est similaire. On remplace votre personne par un Wafer, les galettes rondes de silicium qui servent de support aux processeurs. On remplace le soleil par une lampe à UV (généralement une lampe au mercure) et le maillot de bain par un masque qui représente l’image des processeurs que l’on veut « imprimer » sur le wafer. On utilisera également un jeu de lentilles afin de réduire à la bonne taille le masque pour qu’il s'imprime correctement sur le wafer.
Schéma de principe de la photolithographie. De haut en bas : la source lumineuse,
le masque, les lentilles et le wafer
Pour la petite histoire, le masque représente un seul processeur qui est reproduit de multiples fois sur la surface. Vous pouvez voir les motifs répétitifs (chaque motif est un processeur, on parle de "die") sur la photo suivante :
Photo d'un Wafer, chacun des "motifs" représente un processeur
Votre peau contient déjà les mélanocytes, les cellules qui vont, lorsqu’elles sont stimulées par des UV, produire la réaction (le bronzage). Pour le Wafer, on part d’une galette de silicium sur laquelle on va tartiner une fine couche du matériau que l’on veut graver (du cuivre par exemple) et que l’on va recouvrir d’une résine qui durcit au contact de la lumière (une photorésine). Elle va fixer ainsi le matériau. En reproduisant plusieurs fois l’opération (nous vous faisons grâce des opérations intérmédiaires), on crée une série de couches qui nous permettent de créer notre processeur.
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