La finesse de gravure (« feature size » pour les anglophones) est donc la mesure de référence utilisée pour caractériser la densité d’un circuit intégré. Selon la définition de l’ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors), il s’agit de la longueur minimale du canal d’un transistor, c’est-à-dire la portion située entre le drain et la source, qui sont deux des trois pôles qui constituent un transistor. ITRS, canal, drain, source… Qu’est-ce donc que ces diableries, vous demandez-vous sûrement ? Il est vrai que nous devrions commencer par éclaircir ces points, avant d’aller plus loin.

Tout d’abord, l’ITRS. Ce terme désigne une documentation, régulièrement enrichie par des experts de l’industrie des semi-conducteurs, et qui entend à la fois définir des standards pour ce domaine, et tracer des perspectives quant aux besoins technologiques qui seront à envisager à plus ou moins long terme. L’idée est ainsi de donner une vision claire de l’ensemble du secteur à chaque fournisseur industriel de la longue chaîne qui mène à la production d’un élément semi-conducteur. Et au sein de cette documentation, on trouve donc des règles qui vont permettre de caractériser les avancées en matière de finesse de gravure.

Concrètement, et pour revenir sur la définition mentionnée plus haut, les transistors sont donc des composants que l’on trouve en nombre dans les GPU et CPU modernes, et qui sont chargés de conduire le courant sur commandes, et selon deux cas de figure : comme le montre le schéma ci-dessus, si une tension est appliquée sur la grille, le courant d’électrons entrant par la piste appelée source profite de l’action du champ électrique généré au niveau du canal de conduction pour traverser le substrat, et ressortir par une autre piste, le drain. Si aucune tension n’est appliquée à la grille, le substrat conserve alors ses propriétés isolantes, et le courant reste bloqué. C’est donc la largeur de cette zone de substrat au sein du transistor, qui sépare la source et le drain, qui définit une finesse de gravure. Sur le 4004, cette distance était de 10µm (micromètre), tandis qu’aujourd’hui on approche d’une taille de 10nm (nanomètre), soit 1000 fois moins. Cela correspond, en moyenne sur 45 ans, à un doublement de la finesse de gravure tous les quatre ans et demi.

Pour suivre cette cadence, elle aussi définie et référencée par l’ITRS, les fondeurs lancent un nouveau processus de gravure (« node ») approximativement tous les deux ans, en multipliant à chaque fois la finesse par environ 0,7. À quelques exceptions près, Intel et AMD suivent les valeurs définies par l’ITRS. C’est ainsi que se sont succédés ces dernières années des CPU gravés en 65, 45, 32, 22 et 14 nm. Certains fondeurs travaillent toutefois également avec des valeurs intermédiaires, une contrainte parfois imposée par la complexité des puces à réaliser (nous y reviendrons plus loin). C’est le cas par exemple de TSMC et GlobalFoundries, qui fabriquent les GPU AMD et NVIDIA, mais aussi les CPU AMD depuis que la firme californienne est devenue « fabless ». Ainsi, les GPU actuels sont pour la plupart gravés en 28nm, tandis que la génération précédente était en 40nm. Les prochaines générations devraient pour leur part soit adopter le 16nm, soit se réaligner sur l’ITRS en étant gravés en 14nm.

Bien entendu, le bénéfice le plus évident de ce gain de finesse de gravure est l’augmentation de la densité des puces. Ces gains de densité ont permis, au choix, d’augmenter considérablement les performances pour un même coût de production (ou une même taille de puce), ou de diminuer fortement les coûts à performances égales. En effet, même si le coût par mm² de silicium augmente à chaque génération, la densité augmente d’un facteur plus grand, ce qui réduit le coût par transistor.

L’augmentation de la finesse de gravure a également permis d’augmenter les fréquences de fonctionnement et de réduire petit à petit la consommation des processeurs à nombre de transistor égal, principalement grâce à la réduction de la longueur des pistes et de la tension de fonctionnement qu’elle induit. Ainsi, même si dans l’absolu, la consommation des processeurs les plus puissants a largement augmenté depuis le 4004, l’efficacité énergétique (la puissance de calcul divisé par la consommation) a de son côté fait de même.

La gravure plus fine a ainsi été un facteur clé pour la démocratisation de la technologie : sans la miniaturisation qu’elle a permise, il n’aurait pas été envisageable de rendre accessible à tout le monde la puissance de calcul dont on dispose aujourd’hui au fond de sa poche avec un smartphone... Par exemple, le SoC Apple A9, qui équipe les iPhone 6S est constitué de plus de 2 milliards de transistors, gravés en 14nm ou 16nm selon les versions. Si la densité n’avait pas progressé depuis l’époque du 4004, un tel SoC nécessiterait une surface de silicium de près de 15m², consommerait plusieurs milliers de watts et coûterait plusieurs millions de dollars, tout en étant largement moins performant, car la gravure en 10µm ne permettrait pas une fréquence de fonctionnement de plus d’1 MHz… Toutefois, une question se pose aujourd’hui : va-t-on pouvoir continuer à graver toujours fin nos futures puces, tandis que les progrès en la matière ont déjà été si fulgurants ?