Plus petit est parfois meilleur : pourquoi les composants électroniques sont si minuscules

La deuxième loi la plus célèbre en électronique après la loi d'Ohm est peut-être la loi de Moore : le nombre de transistors pouvant 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 avec le temps. Nous nous attendons à ce que de nouvelles générations de puces avec une taille de fonctionnalité plus petite arrivent à un rythme régulier, mais quel est exactement l'intérêt de rendre les choses plus petites ? Et est-ce que plus petit signifie toujours meilleur ?

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 inducteurs, condensateurs et résistances, plusieurs dizaines de mètres de fil pour servir d'antenne et une grande banque de piles pour alimenter le tout. . Aujourd'hui, vous pouvez écouter une douzaine de services de diffusion de musique sur un appareil qui tient dans votre poche et peut faire un million de choses en plus. Mais la miniaturisation n'est pas seulement faite pour faciliter le transport : elle est absolument nécessaire pour atteindre les performances que nous attendons de nos appareils aujourd'hui.

L'un des avantages évidents des composants plus petits est qu'ils vous permettent d'intégrer davantage de fonctionnalités dans le même volume. Ceci est particulièrement important pour les circuits numériques : plus de composants signifie que vous pouvez effectuer plus de traitement 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 aussi besoin de huit fois plus de composants : les registres, les additionneurs, les bus, etc. deviennent tous huit fois plus gros. Vous auriez donc besoin soit d'une puce huit fois plus grande, soit de transistors huit fois plus petits.

La même chose vaut pour les puces de mémoire : faites des transistors plus petits, et vous avez plus d'espace de stockage dans le même volume. Les pixels de la plupart des écrans actuels sont constitués de transistors à couches minces, il est donc logique de les réduire et d'obtenir 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 est-ce exactement ?

Chaque fois que vous fabriquez un transistor, il est livré avec quelques composants supplémentaires gratuitement. 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 à 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 plus faible, des transistors plus petits peuvent fonctionner à des fréquences d'horloge plus élevées et dissiper moins de chaleur ce 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 ?

En général, les composants passifs tels que les résistances, les condensateurs et les inductances ne s'améliorent pas beaucoup lorsqu'ils sont plus petits : à bien des égards, ils s'aggravent. La miniaturisation de ces composants se fait donc principalement pour pouvoir les serrer dans un volume plus petit, et ainsi économiser de l'espace sur le PCB.

Les résistances peuvent être réduites en taille sans trop de pénalité. La résistance d'un morceau de matériau est donnée par , où l est la longueur, A la section transversale et ρ la résistivité du matériau. Vous pouvez simplement réduire la longueur et la section 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 chauffera davantage par rapport à une plus grande lorsqu'elle dissipera 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 SMD diminue à mesure que leurs dimensions sont réduites.

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 de calcul de la capacité d'un condensateur à places parallèles est , où A est la surface des plaques, d est la distance entre elles et ε 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 des couches minces (petit d) et des diélectriques spéciaux (avec un ε plus grand), les condensateurs ont considérablement diminué en taille au cours des dernières décennies.

Les plus petits condensateurs disponibles aujourd'hui sont conditionnés dans le boîtier métrique ultra-petit 0201 : seulement 0,25 mm x 0,125 mm. Leur capacité est limitée à 100 nF toujours utiles avec une tension de fonctionnement maximale de 6,3 V. Encore une fois, ces packages 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 , où N est le nombre de spires, A est la section transversale de la bobine, l est sa longueur et μ 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 réduit de moitié le facteur de qualité (Q) de votre bobine.

Les plus petits inducteurs discrets disponibles dans le commerce sont de taille impériale 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 déployés pour contourner les limites physiques de l'inducteur en utilisant un phénomène appelé inductance cinétique, qui peut être observé dans les bobines en graphène. Mais même cela donne une amélioration de peut-être 50%, si cela peut être fait d'une manière commercialement viable. Au final, les coils 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.

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, est devenue populaire vers les années 1960, alors qu'aujourd'hui on utilise surtout les communications 4G autour de 1 ou 2 GHz, soit environ 20 cm. Des fréquences plus élevées signifient une plus grande capacité de transmission d'informations, et c'est grâce à la miniaturisation que nous avons des radios bon marché, fiables et économes en énergie fonctionnant à ces fréquences.

La réduction des longueurs d'onde a permis de réduire les antennes, car leur taille est directement liée à la fréquence dont elles ont besoin pour transmettre ou recevoir. Si les téléphones portables n'ont pas besoin aujourd'hui d'antennes longues et saillantes, c'est grâce au fait qu'ils communiquent exclusivement sur des fréquences GHz, pour lesquelles les antennes ne doivent mesurer qu'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 effectivement 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 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.

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

Cependant, en ce qui concerne les composants discrets, 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 la grande majorité des cas d'utilisation n'en 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.