Puces Android : qu’est-ce qu’un transistor et comment ça fonctionne ?

Les puces des smartphones en contiennent des dizaines de milliards : mais que sont vraiment les transistors, et comment fonctionnent-ils ? On vous explique.

Les transistors sont la pierre angulaire d'à peu près toutes les technologies modernes dont on profite en 2025. Ces composants se retrouvent évidemment dans le smartphone que vous avez dans la poche. En particulier dans sa puce – qu'elle soit conçue par Qualcomm, MediaTek, Samsung ou Huawei.

L'élément est directement gravé sur la surface de ces puces, qui est elle-même un morceau de silicium crystallin ultra pur. Le tout grâce à des techniques de photo-lithographie ultra-avancées, qui allient la lumière à des procédés chimiques pointus.

Le meilleur fondeur (l'entreprise qui procède à la fabrication proprement dite) du moment, TSMC, est capable de graver des transistors fonctionnels incroyablement fins. De quoi en placer des dizaines de milliards dans un espace réduit, et mieux optimiser leur fonctionnement.

Avec le procédé 2 nm des prochaines puces les plus performantes du marché comme la Qualcomm Snapdragon 8 Elite 2, les détails les plus fins ne font ainsi que 10 atomes de silicium de large. Ce qui nous rapproche au passage d'une limite fondamentale liée à la mécanique quantique.

Qu'est-ce qu'un transistor ?

Un transistor est un composant que l'on peut comparer à une sorte d'interrupteur pouvant être contrôlé à l'aide d'un troisième connecteur – et qui ne laisse passer le courant que dans un seul sens. Sir ces trois connecteurs, la source est là où entre le courant électrique avant de sortir du côté de ce que l'on appelle le drain.

La grille est la troisième connexion qui permet de contrôler le passage des électrons entre la source et le drain. Le silicium est en effet un semi-conducteur, ce qui signifie qu'il est possible de manipuler ses propriétés conductrices en dopant des zones avec certains éléments atomiques.

Dans un transistor, il s'agit de doper la partie source pour provoquer un surplus d'électrons. Et la partie drain pour qu'il y ait de ce côté un déficit d'électrons. La grille intervient entre les deux parties, permettant le passage d'électrons lorsqu'une tension est appliquées. Ou empêcher leur passage lorsque le courant est à zéro.

En sortie, on a donc dans un cas du courant, et dans l'autre pas. Ce qui peut être interprété comme un 1 ou un 0 dans un système conçu pour cela. L'intérêt de la grille c'est que l'on peut connecter avec elle un nombre a priori illimité de transistors entre eux. Tout cela permettant de changer l'état d'un transistor en fonction de l'état d'un autre.

In fine ensemble, ces transistors peuvent faire du calcul binaire, qui et à la base du fonctionnement des ordinateurs et d'autres appareils comme les smartphones. Avec des gains à tous les niveaux à mesure que l'on peut densifier leur nombre.

3 nm, 2 nm… pourquoi parle-t-on autant de la finesse de gravure ?

Dans les entrailles des smartphones modernes, il y a très peu de place. Et il faut malgré cela délivrer un maximum de performances tout en limitant la consommation d'énergie et la dissipation de chaleur. Plus on peut graver des détails avec finesse, plus il est possible d'en intégrer sur la même puce.

Au-delà des performances liées au décompte de transistors lui-même, s'ajoutent d'autres avantages. Les connexions sont plus courtes : aux fréquences d'horloge de plusieurs gigahertz (1 GHz équivaut à 1 milliard de cycles d'opérations par seconde) cela aboutit directement à moins de chaleur et de consommation électrique. Et donc des gains réels en termes d'autonomie.

La finesse de gravure des transistors menace de trouver sa limite

Plus on cherche à graver des détails fins avec la photo-lithographie, plus les problèmes à résoudre deviennent complexes. Côté lumière, par exemple, il faut aller au-delà du spectre visible, dans des contrées où aucune technologie conventionnelle n'existe.

Du coup, des entreprises comme ASML et TSMC redoublent de solutions toujours plus impressionnantes pour produire une source lumineuse parfaite. Par exemple, les machine de gravure dernière génération doivent pulvériser de minuscules gouttelettes d’étain liquide (quelques dizaines de micromètres de diamètre).

Avant de les projeter à grande vitesse dans une chambre à vide. Un laser spécial leur envoie alors en plein vol deux impulsions successives à une vitesse inimaginable. La première leur donne la forme parfaite, et la second les transforme en un plasma émettant exactement la bonne lumière. Reste qu'il ne s'agit que d'une partie de cette impossible équation.

Le problème quantique

Car lorsque l'on fabrique des éléments d'une taille comparable à une dizaine d'atomes, s'ajoutent des effets quantiques et d'autres casse-têtes à résoudre. Pour les transistors, cela signifie devoir adapter leur design au comportement toujours plus étrange des électrons.

Ce qui complexifie considérablement tout, de la conception à leur fabrication. La conception de la grille, notamment, sur les transistors dit GAAT n'a plus grand chose à voir avec la forme qu'elle pouvait prendre lorsque les puces étaient gravés avec des détails moins fins.

Par ailleurs, le silicium lui-même pourrait rapidement ne plus rester le matériau semi-conducteur idéal sous une certaine limite – probablement sous les 1 nm. Il ne permettra pas éternellement, en effet, de s'affranchir des effets quantiques.

Dans un futur maintenant assez proche, c'est l'échelle matière elle-même qui posera une limite a priori infranchissable. Et il semble, à ce stade, que cela ne soit plus qu'une question de quelques années.