Onze millimètres de germanium, deux inventeurs, une seule idée

Juillet 1958, Dallas. L'usine de Texas Instruments est vide. Chaque année, la société ferme deux semaines en juillet. Tout le monde part, sauf un homme d'un mètre quatre-vingt-dix-huit, âgé de trente-quatre ans, embauché en mai : Jack Kilby n'a pas encore droit à des congés. Il reste donc seul dans le laboratoire des semi-conducteurs, avec un carnet, du matériel emprunté et un problème.

Le problème a un nom depuis le mois précédent. Dans les Proceedings of the IRE de juin 1958, Jack Morton, vice-président des Bell Labs, écrit que les systèmes numériques exigent « des centaines, des milliers, et parfois des dizaines de milliers » de composants. Chacun est fabriqué à part, puis soudé aux autres à la main, et plus il y a de soudures, plus il y en a une qui lâche. Morton appelle cela la tyrannie des nombres.

Le nouveau n'aime pas le projet maison

Kilby arrive de Centralab, à Milwaukee, où il fabriquait déjà des circuits miniatures. Texas Instruments l'a engagé sans lui fixer de tâche précise. Le projet en cours s'appelle Micro-Module : des composants calibrés à la même taille, empilables comme des briques. Kilby le dira sans détour : « Dès le début, je n'ai pas beaucoup aimé ça. » Empiler plus proprement des pièces séparées ne supprime pas les soudures. Il faut supprimer les pièces séparées.

L'idée lui vient dans l'usine vide. Un transistor est en semi-conducteur. Mais une résistance, ce n'est qu'un ruban de matière qui freine le courant : on peut la tailler dans du semi-conducteur aussi. Un condensateur, c'est deux zones conductrices séparées par un isolant : une jonction dans le même cristal fait l'affaire. Si tout peut être fait du même matériau, tout peut être fait dans le même morceau. Le 24 juillet 1958, Kilby dessine ce circuit dans son carnet : résistances, condensateur, transistor, en substance tout sur une seule tranche.

Prouvez-le d'abord avec des pièces détachées

Quand Willis Adcock, son chef, revient de vacances, il écoute, puis il doute. Il demande une preuve. Le 28 août, Kilby lui montre un multivibrateur assemblé avec des pièces de silicium découpées une à une : transistors du commerce, résistances et condensateurs taillés dans des barreaux et des tranches de silicium. Rien n'est intégré, mais tout est en semi-conducteur, et ça marche. Adcock donne le feu vert.

Reste à tout faire tenir dans un seul morceau. Kilby prend du germanium : des tranches déjà diffusées, contacts en place. Il fait tailler une barrette de 11 millimètres sur 1,6, la colle sur une lame de verre et y forme cinq composants : un transistor, un condensateur, des résistances. Pour les relier, il n'a que des fils d'or fins comme des cheveux, tendus au-dessus du cristal. On les appellera les fils volants. Le circuit est un oscillateur à déphasage, un montage d'école qui ne marche que si chaque composant fait son travail.

Le 12 septembre 1958, il branche la barrette de germanium à un oscilloscope devant quelques dirigeants, dont Mark Shepherd. Il met sous tension. Une sinusoïde régulière se déploie sur l'écran. Une semaine plus tard, il en montre un second. Texas Instruments dépose le brevet le 6 février 1959, sous le titre « Miniaturized electronic circuits », avec une phrase qui vaut programme :

Il n'y a aucune limite à la complexité ou à la configuration des circuits qui peuvent être faits de cette manière.

La société annonce son « solid circuit » le 6 mars 1959. Le premier produit, une bascule baptisée Type 502, arrive au catalogue en 1960 à 450 dollars pièce.

Le même hiver, en Californie

L'idée n'était pas neuve : Geoffrey Dummer, ingénieur radar britannique, l'avait exposée à Washington le 7 mai 1952, et son prototype de 1956 avait été écarté comme impraticable. Ce qui manquait, c'était un procédé. Il arrive chez Fairchild Semiconductor, en Californie, fondée en septembre 1957 par huit ingénieurs partis de chez William Shockley. L'un d'eux, Jean Hoerni, a imaginé dès 1957 un procédé dit planaire : on laisse sur la tranche une fine couche d'oxyde de silicium, du verre, qui protège les jonctions en dessous. Son premier transistor planaire fonctionne le 12 mars 1959.

Robert Noyce, cofondateur et directeur de la recherche, y voit autre chose qu'une protection. Le 23 janvier 1959, quatre mois après la sinusoïde de Dallas, pages 70 et 71 de son carnet de laboratoire, il écrit :

Dans de nombreuses applications, il serait aujourd'hui souhaitable de faire plusieurs composants sur un seul morceau de silicium, afin de réaliser les interconnexions entre eux au cours même de la fabrication, et de réduire ainsi la taille, le poids, etc., ainsi que le coût par élément actif.

Noyce écrit ces lignes six semaines avant que Texas Instruments n'annonce le circuit de Kilby. La revue IEEE Spectrum y voit deux inventions simultanées et indépendantes.

La différence avec Dallas tient dans « au cours même de la fabrication ». Chez Kilby, le cristal porte les composants, mais les liaisons restent des fils d'or posés un à un. Chez Noyce, la couche d'oxyde de Hoerni sert d'isolant, et l'on dépose dessus des pistes d'aluminium, comme on imprime un dessin : le câblage sort de la même machine que les transistors. Plus de fils volants, plus de soudures. C'est le procédé de Hoerni qui rend cette version fabricable en série : tous les composants se forment par la même face de la tranche, puis les pistes se posent par-dessus. Le brevet est déposé le 30 juillet 1959, six mois après la page de carnet, dix mois et demi après la démonstration de Kilby. Les premiers circuits monolithiques de Fairchild fonctionnent en mai 1960.

Dix ans de procès pour une couche d'or

Deux brevets, deux sociétés, la même idée : la bagarre juridique dure dix ans. Celui de Noyce est accordé le premier, le 25 avril 1961 ; celui de Kilby attend le 23 juin 1964. TI conteste : la demande de Kilby évoquait déjà une couche d'or déposée à la place des fils. L'Office des brevets donne d'abord raison à TI sur quatre points sur six ; la cour d'appel donne raison à Noyce ; en 1970, la Cour suprême refuse de se saisir. Entre-temps, à l'été 1966, les deux entreprises ont signé des licences croisées : chacune reconnaît les brevets de l'autre et peut s'en servir, et TI verse en plus une somme à Fairchild. En octobre 1966, le Franklin Institute remet à Kilby et à Noyce la même médaille Ballantine. Le Computer History Museum les présente aujourd'hui comme co-inventeurs du circuit intégré.

L'ironie est double. Le Type 502 de Kilby, avec ses fils d'or, n'a jamais dépassé quelques dizaines d'exemplaires : c'est la méthode de Hoerni et de Noyce, les pistes déposées sur l'oxyde, que chaque usine de puces applique encore. Mais c'est Kilby qui a eu la sinusoïde le premier, et c'est lui que les livres ont retenu. Gordon Moore, cofondateur d'Intel, résumera : Kilby a construit le premier, Noyce a trouvé comment en faire en quantité.

Stockholm, décembre 2000

Robert Noyce fonde Intel avec Gordon Moore en juillet 1968, gagne le surnom de maire de la Silicon Valley, et meurt d'une crise cardiaque le 3 juin 1990, à Austin, à soixante-deux ans. Le prix Nobel ne se décerne pas aux morts. En octobre 2000, l'Académie royale des sciences de Suède attribue la moitié du prix de physique à Jack Kilby « pour sa part dans l'invention du circuit intégré », l'autre moitié allant à Jaurès Alferov et Herbert Kroemer. À la tribune, le 8 décembre, à soixante-dix-sept ans, il cite Noyce trois fois, et lui reconnaît d'avoir montré l'intérêt du procédé planaire, avec des liaisons métalliques posées sur l'oxyde. Lui-même mesurera l'écart :

Ce que nous n'avions pas compris, c'est que cela réduirait le coût des fonctions électroniques dans un rapport d'un million à un.

Le rapport n'est pas une image. Le premier microprocesseur, l'Intel 4004 de 1971, comptait 2 300 transistors. La puce M2 Ultra d'Apple, en 2023, en compte 134 milliards, reliés comme dans le carnet de Noyce. Kilby, lui, a continué à construire : la calculatrice de poche, avec Jerry Merryman et James Van Tassel, puis l'imprimante thermique. Il est mort à Dallas le 20 juin 2005, à quatre-vingt-un ans.

La barrette de germanium, elle, est sous verre, en réplique, au musée Heinz Nixdorf de Paderborn : onze millimètres de cristal, quelques fils d'or qui partent de travers, des gouttes de quelque chose qui a jauni pour tenir le tout. Ça ressemble à ce que c'est. Un bricolage imaginé seul, un mois de juillet, dans une usine où tout le monde était parti.