Qu'est-ce qu'une puce électronique ?
Une puce électronique est une minuscule plaquette de matériau semi-conducteur dans laquelle est intégré un circuit électronique. Elle contient des millions de composants électroniques microscopiques appelés transistors qui transmettent des signaux de données. Au départ, les puces étaient physiquement volumineuses et l'informatique n'était pratiquée que dans les laboratoires nationaux, les universités ou les grandes entreprises. D'autres innovations dans la technologie des puces électroniques ont permis de développer des processeurs haute performance qui alimentent tous les types d'applications analytiques, graphiques et de machine learning avancées. La taille de la puce électronique ayant diminué, il est devenu possible de créer des ordinateurs plus petits pouvant être utilisés à la maison. Aujourd'hui, la puce électronique est omniprésente dans nos vies, de nos micro-ondes à nos brosses à dents.
Comment sont fabriquées les puces électroniques ?
Les puces électroniques sont généralement fabriquées dans des usines appelées usines de fabrication ou fabs. Elles sont fabriquées à partir de silicium, élément chimique courant que l'on trouve dans le sable. Le silicium est un semi-conducteur, ce qui signifie que sa conductivité électrique se situe quelque part entre les métaux, comme le cuivre, et les isolants, comme le verre.
Voici un résumé du processus de fabrication des puces.
Extraction et mise en forme du silicium
Les lingots de silicium monocristallin sont extraits par fusion et raffinage du sable. Les lingots sont purs à presque 100 %. Ils sont découpés en puces très fines qui sont nettoyées, polies et recouvertes d'une couche de dioxyde de silicium. Une couche supplémentaire d'un produit chimique appelé photorésine est ajoutée sur le dessus des plaquettes de silicium afin d'améliorer la photosensibilité. Des précautions strictes sont prises pour veiller à ce qu'aucune contamination par la poussière ou par d'autres substances étrangères ne se produise pendant ce processus. Une fois les puces de silicium de base prêtes, les circuits électroniques sont gravés dessus.
Gravure des circuits
La plaquette de silicium est recouverte d'une plaque à tracé de circuit, appelée masque, et exposée à la lumière ultraviolette. La lumière durcit le matériau de photorésine dans le tracé de circuit. Des gaz chauds font ensuite fondre le matériau exposé pour révéler le dioxyde de silicium en dessous. Un paysage 3D apparaît, reproduisant le tracé de conception du circuit du masque.
Dans le processus de fabrication des puces, la gravure consiste en l'élimination chimique des couches de la plaquette et le dopage en l'introduction d'impuretés pour modifier la plaquette. Le processus de gravure et de dopage peut être répété des centaines de fois sur la même puce électronique afin de créer des circuits intégrés plus complexes.
Comment fonctionnent les puces électroniques ?
Les puces électroniques fonctionnent en transmettant des signaux électriques à travers les éléments du circuit.
Circuits intégrés analogiques
Les circuits analogiques transmettent des signaux continus et variables en un laps de temps donné. Le signal de sortie est une fonction linéaire de l'entrée avec des tensions directement proportionnelles. Ce type de circuits intégrés est utilisé pour les fonctionnalités de dispositifs, comme les minuteurs, les comparateurs, les régulateurs de tension et les amplificateurs opérationnels. Les puces analogiques sont utilisées dans les générateurs de balayage, les oscillateurs, les amplificateurs audio et les filtres.
Circuits intégrés numériques
Les circuits numériques transmettent des signaux discontinus ou binaires. La tension de sortie peut être élevée ou faible. La tension élevée représente la valeur booléenne 1 et la tension faible la valeur 0.
Les circuits numériques sont conçus pour réaliser différentes opérations logiques comme AND, OR et NAND. Par exemple, l'opération logique OR correspond à l'addition booléenne et représente la base des opérations informatiques d'addition. Les circuits intégrés numériques sont ainsi la base de toutes les opérations de calcul. Ils sont essentiels à l'ensemble des dispositifs programmables, des cartes logiques et des microcontrôleurs, ainsi qu'à la mémoire.
Circuits intégrés à signaux mixtes
Les puces mixtes associent des éléments des puces analogiques et numériques. Cette conception hybride permet d'obtenir des puces qui agissent comme des convertisseurs numérique-analogique et analogique-numérique. Ces circuits intégrés avancés sont un autre composant fondamental de l'informatique moderne.
Circuits quantiques
Les circuits quantiques constituent la prochaine étape de l'évolution de l'informatique. Un circuit quantique est une routine de calcul qui définit une série d'opérations quantiques logiques sur les qubits, ou bits quantiques, sous-jacents. Les qubits sont représentés par des particules quantiques, différentes des signaux numériques booléens. Les signaux booléens correspondent à 1 ou 0, mais les qubits peuvent être placés dans une superposition d'états. Les puces équipées de circuits quantiques représentent le fondement de la technologie émergente de l'informatique quantique.
Quels sont les types de puces électroniques ?
Les puces électroniques sont classées en quatre grandes catégories selon leur fonctionnalité.
Puces mémoires
Les puces mémoires stockent les programmes et les données sur les ordinateurs et les périphériques de stockage. Les puces de RAM assurent un stockage temporaire, tandis que les clés USB et les disques à circuits intégrés (SSD) peuvent conserver des informations de façon permanente. Les unités de mémoire flash peuvent stocker des données même lorsque le courant électrique est coupé.
Puces logiques
Les puces logiques ou de microprocesseur traitent des données pour accomplir des tâches. Il s'agit des cerveaux des appareils électroniques d'aujourd'hui. Les CPU sont le principal type de puces logiques que l'on trouve dans les microprocesseurs des serveurs et d'autre matériel informatique. Les puces logiques peuvent cependant être également conçues pour répondre à des fonctions spécifiques. Voici quelques exemples :
- Les unités de traitement graphique sont conçues pour optimiser les affichages visuels
- Les unités de traitement neuronal sont conçues pour les applications de deep learning et de machine learning
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ASIC
Les puces intégrées spécifiques à une application (ASIC) sont conçues afin d'effectuer des routines de traitement répétitives pour une application spécifique. Ces puces modernes sont produites en grandes quantités pour des appareils à usage unique, comme les lecteurs de codes-barres. Un autre exemple est le minage de bitcoins, où les ASIC exécutent les routines mathématiques complexes nécessaires à la production de nouveaux bitcoins.
SoC
Le système sur puce (SoC) est un type de puce plus récent. Tous les composants électroniques nécessaires à l'ensemble d'un système sont intégrés dans une puce. Les capacités des SoC sont plus étendues que celles des microcontrôleurs. Un microcontrôleur combine généralement le CPU avec la mémoire et le traitement E/S. Néanmoins, les SoC peuvent intégrer le traitement graphique, audio, caméra et vidéo.
Comment AWS contribue-t-il à l'innovation en matière de puces électroniques ?
Amazon Web Services (AWS) a consacré de nombreuses années à la conception de puces électroniques personnalisées et optimisées pour le cloud. Ainsi, Amazon Elastic Compute Cloud (Amazon EC2) propose des instances alimentées par des processeurs conçus par AWS et optimisés pour un éventail de charges de travail gourmandes en calcul, en mémoire et en stockage. Amazon EC2 propose également des puces de machine learning (ML) spécialement conçues pour l'entraînement et l'inférence ML.
Voici d'autres innovations d'AWS :
- L'AWS Nitro System est la plate-forme sous-jacente de notre nouvelle génération d'instances Amazon EC2. Cette plate-forme nous permet d'innover plus rapidement, de réduire encore plus les coûts pour nos clients et d'offrir des avantages supplémentaires comme le renforcement de la sécurité et la création de nouveaux types d'instances.
- Les processeurs AWS Graviton offrent le meilleur rapport qualité/prix pour vos applications. Les instances basées sur AWS Graviton offrent un rapport qualité/prix jusqu'à 40 % supérieur à celui des instances comparables basées sur x86.
- Les accélérateurs AWS Inferentia sont conçus pour offrir de hautes performances à moindre coût pour vos applications d'inférence de deep learning.
- Les puces de ML d'AWS Trainium sont conçues pour offrir le meilleur rapport qualité/prix pour l'entraînement de modèles de deep learning dans le cloud.
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