Les cendres de Chih-Tang Sah, pionnier des semi-conducteurs, rapatriées en Chine

Le retour au pays d’un esprit qui a façonné les puces modernes

Les cendres de Chih-Tang Sah, pionnier de l’ère moderne des semi-conducteurs, ont été rapatriées des États-Unis au Fujian, dans le sud-est de la Chine, pour y être inhumées. Son héritage scientifique se retrouve dans presque tous les appareils équipés d’une puce, du téléphone que l’on glisse dans sa poche aux ordinateurs qui pilotent les avions et aux accélérateurs qui entraînent les intelligences artificielles. En 1963, alors qu’il travaillait chez Fairchild Semiconductor avec son collègue Frank Wanlass, Sah a proposé avec lui la logique à semi-conducteurs complémentaires à oxyde métallique, plus connue sous le nom de CMOS. Cette idée, simple dans son principe et considérable par ses effets, a ouvert la voie à des circuits intégrés basse consommation pratiques et à l’essor spectaculaire de l’industrie actuelle des puces. En 2011, environ 99 % des circuits intégrés à semi-conducteurs étaient fabriqués avec la technologie CMOS, selon l’ouvrage High-Frequency Integrated Circuits de Sorin Voinigescu, de l’Université de Toronto.

Sah est né à Pékin et est décédé le 5 juillet à l’âge de 92 ans. Il était professeur honoraire à l’Université de Xiamen, qui a salué sa disparition et rappelé ses liens durables avec le monde universitaire. Le retour de ses cendres dans sa province ancestrale est l’occasion de réfléchir à la science qui alimente discrètement la vie quotidienne et l’économie mondiale, ainsi qu’à une carrière qui a relié laboratoires, amphithéâtres et cœur de l’ère moderne de l’information.

Qui était Chih Tang Sah

Chih-Tang Sah appartenait à une génération qui a posé les fondations de l’ère de l’information. Né en Chine en 1932 et issu de la prestigieuse famille Sah de Fuzhou, il a poursuivi des études d’ingénieur aux États-Unis. Il a obtenu deux licences à l’Université de l’Illinois, puis un master et un doctorat à l’Université Stanford. Cette formation l’a placé au cœur des premières recherches sur les solides, au moment où les dispositifs en silicium quittaient les articles de physique pour entrer dans les usines.

Formation et débuts de carrière

En 1956, Sah a commencé à travailler dans l’électronique à semi-conducteurs, puis a rapidement rejoint Fairchild Semiconductor, où il a présenté avec Frank Wanlass le concept CMOS en 1963. L’association de deux types de transistors, l’un qui conduit lorsque l’entrée est à l’état haut et l’autre lorsqu’elle est à l’état bas, a permis de créer une logique qui consomme très peu au repos et s’adapte efficacement à la complexification des puces. Sah est ensuite devenu professeur à l’Université de l’Illinois, où il a enseigné de 1962 à 1988, avant de poursuivre ses travaux à l’Université de Floride. Au cours de sa carrière universitaire, il a publié environ 280 articles scientifiques, encadré des doctorants et fait progresser la physique des composants qui sous-tend la conception et la fabrication CMOS. L’industrie et le monde universitaire ont salué ses contributions, qui ont rapproché théorie, composants et systèmes.

Le laboratoire Holonyak de micro- et nanotechnologies de l’Université de l’Illinois inscrit Sah aux côtés d’autres figures majeures qui ont façonné l’héritage du campus en matière de recherche sur les semi-conducteurs. L’histoire du laboratoire retrace une continuité allant de l’ère du transistor aux circuits intégrés modernes, dont Sah constitue l’un des maillons. La présentation historique du laboratoire est consultable sur le site du laboratoire Holonyak de micro- et nanotechnologies.

Les chercheurs du laboratoire s’inscrivent dans un héritage historique des semi-conducteurs, inauguré par les grands ingénieurs John Bardeen, Nick Holonyak Jr. et Chih-Tang Sah, dont les travaux novateurs ont contribué à lancer et à faire progresser la révolution des technologies de l’information actuelle.

Comment le CMOS a tout changé

CMOS, abréviation de « complementary metal oxide semiconductor » (semi-conducteur complémentaire à oxyde métallique), est la technologie de base de la plupart des puces. Elle repose sur des paires complémentaires de transistors à effet de champ métal-oxyde-semi-conducteur, ou MOSFET. Un type de transistor, appelé de type p, laisse de préférence passer le courant lorsque l’entrée est à l’état bas. L’autre, appelé de type n, le laisse de préférence passer lorsque l’entrée est à l’état haut. En les associant dans chaque porte logique, les ingénieurs ont créé des circuits dont la consommation statique est très faible et qui résistent bien au bruit électrique. Le courant ne circule de façon notable que lorsque le circuit commute, ce qui réduit la chaleur produite au repos et améliore l’efficacité énergétique.

Pourquoi le CMOS consomme moins d’énergie

Prenons l’élément logique le plus simple : l’inverseur. Dans un inverseur CMOS, lorsque l’entrée est à l’état bas, le transistor de type p conduit et celui de type n est bloqué. Lorsque l’entrée est à l’état haut, le transistor de type n conduit et celui de type p est bloqué. Pour tout niveau logique valide, l’un des composants est bloqué, ce qui limite le courant continu. La consommation d’énergie provient principalement de la charge et de la décharge de minuscules capacités pendant la commutation. Cette caractéristique a directement permis d’allonger l’autonomie des appareils portables, d’augmenter la densité des puces et aux concepteurs d’accroître leur complexité sans hausse proportionnelle de la consommation.

Le CMOS a été introduit chez Fairchild en 1963 et a pris son essor commercial lorsque RCA a produit les premiers circuits intégrés CMOS à la fin des années 1960. Dans les années 1980, il avait supplanté les autres familles logiques. Aujourd’hui, le CMOS équipe les microprocesseurs, les microcontrôleurs, les mémoires vives statiques, les capteurs d’image et la logique de commande d’innombrables systèmes. Même si la forme physique des transistors évolue, avec les structures FinFET et gate-all-around qui remplacent les anciennes architectures planes, la logique reste fondée sur le CMOS. De nombreuses puces modernes empilent aussi des composants en trois dimensions et utilisent des techniques de conditionnement avancées, mais elles reposent toujours sur les mêmes principes de commutation complémentaire défendus par Sah et Wanlass.

De Fairchild aux salles de cours

Fairchild Semiconductor a joué un rôle majeur dans l’essor de la Silicon Valley. L’entreprise a rassemblé des scientifiques et des ingénieurs qui ont mis au point les procédés et les composants ayant donné son premier élan au circuit intégré. Dans cet environnement, Sah est passé de la théorie approfondie des composants aux réalités pratiques de la fabrication et de la conception, une expérience qu’il a ensuite transmise à ses étudiants.

Enseignement et mentorat

À l’Université de l’Illinois, Sah a contribué à développer une compréhension rigoureuse des composants en silicium et de leur comportement, renforçant une filière de formation d’étudiants qui allaient concevoir et fabriquer les générations suivantes de puces. Le laboratoire Holonyak de micro- et nanotechnologies, dont les racines remontent à des figures comme John Bardeen et Nick Holonyak Jr., constitue un lien vivant entre ces travaux fondateurs et les avancées actuelles. Le laboratoire retrace cette filiation dans son histoire, sur hmntl.illinois.edu. La recherche universitaire et les collaborations avec l’industrie ont accéléré le passage du CMOS, d’une idée à une plateforme presque universelle. Un récent article de synthèse paru dans la revue Materials estime que le CMOS reste la base dominante des systèmes numériques, tandis que de nouveaux matériaux et types de composants sont explorés pour les systèmes analogiques, la mémoire et l’informatique neuromorphique, à condition de pouvoir être intégrés à des procédés de fabrication compatibles avec le CMOS. Cette analyse témoigne de la maturité et de la résilience de la plateforme que Sah a contribué à mettre en place.

Un héritage visible dans les téléphones, les avions et les accélérateurs d’IA

L’influence de Sah se manifeste dans chaque poche et sur chaque bureau. La logique numérique qui exécute les instructions des logiciels, les réseaux de mémoire qui stockent les données, les capteurs qui capturent les images et les radios qui relient les appareils reposent tous sur des techniques CMOS. Des ordinateurs de bord des avions aux systèmes de commande des voitures et des engins spatiaux, les concepteurs choisissent le CMOS pour son efficacité énergétique, sa fiabilité et sa capacité à évoluer.

Les technologies du quotidien reposent sur le CMOS

Les puces qui font fonctionner les services dans le cloud et l’intelligence artificielle sont elles aussi issues du CMOS. L’accélérateur H200 de Nvidia, l’un des produits les plus en vue dans cette catégorie, est fabriqué selon un procédé CMOS avancé. Les restrictions à l’exportation de puces aussi performantes sont devenues un sujet de tension entre les États-Unis et la Chine. Les enjeux géopolitiques sont complexes, mais le fondement scientifique est simple. La commutation complémentaire, qui réduit la consommation et permet une intégration dense, essence même du CMOS, est le fil conducteur de ces avancées.

Pourquoi ce retour au pays compte aujourd’hui en Chine

Le retour des cendres de Sah au Fujian revêt une portée symbolique, à la fois culturelle et scientifique. Professeur honoraire à l’Université de Xiamen, son parcours, de Pékin aux laboratoires de recherche et aux amphithéâtres du monde entier, reflète l’histoire de la diaspora scientifique chinoise au cours du siècle dernier. La Chine investit massivement dans la formation, la recherche et la production de semi-conducteurs. Les concepts fondamentaux développés par Sah, comme la logique complémentaire et la maîtrise précise de la physique des composants, sont au cœur de ces ambitions.

Les restrictions à l’exportation, les transformations des chaînes d’approvisionnement et la course à la production de puces plus petites, plus rapides et plus économes en énergie ont placé les semi-conducteurs au centre des stratégies nationales. Pourtant, le CMOS est un langage commun aux ingénieurs. À Pékin, Taipei, Hsinchu, Séoul, Austin ou Dresde, les méthodes et les modèles qui expliquent le comportement des transistors sont enseignés et appliqués de manière similaire. Ce socle commun fait partie de l’héritage de Sah et continuera de guider les ingénieurs dans leur quête de meilleures performances et d’une consommation réduite.

La science en termes simples

Un MOSFET, le composant de base du CMOS, est un minuscule interrupteur qui commande le courant au moyen d’un champ électrique. Imaginez un canal dans un semi-conducteur, avec des bornes source et drain à ses extrémités. Une fine couche d’oxyde isolant sépare le canal d’une électrode de grille. En appliquant une tension à la grille, le dispositif attire ou repousse les porteurs de charge dans le canal. Au-dessus d’une tension seuil, un chemin conducteur se forme et le courant circule. En dessous, le chemin se ferme et le courant s’arrête, à l’exception d’un très faible courant de fuite.

Le rôle d’un MOSFET

Dans la logique CMOS, un MOSFET de type n relie une sortie à la masse lorsque l’entrée est à l’état haut, et un MOSFET de type p relie la sortie à l’alimentation lorsque l’entrée est à l’état bas. Ils fonctionnent en opposition, de sorte qu’un seul conduit lorsque l’état logique est stable. Les portes logiques ont ainsi une consommation statique presque nulle, ce qui explique en grande partie pourquoi le CMOS est devenu la technologie de référence des circuits numériques.

Consommation et miniaturisation

La consommation du CMOS a deux principales origines. La consommation dynamique provient de la charge et de la décharge des capacités lors des commutations. La consommation liée aux courants de fuite vient des faibles courants qui circulent même lorsque les transistors sont bloqués, un phénomène qui prend de l’ampleur à mesure que les composants rétrécissent. Les ingénieurs réduisent la consommation à l’aide de techniques de conception de circuits, comme le « clock gating », la mise à l’échelle dynamique de la tension et l’optimisation du dessin des circuits, ainsi qu’en adoptant des structures de composants améliorées. Les transistors FinFET et gate-all-around permettent de mieux contrôler le canal, de réduire les fuites et de poursuivre la miniaturisation. La fiabilité compte aussi. Les concepteurs intègrent des structures de protection contre les décharges électrostatiques et tiennent compte des contraintes susceptibles de dégrader les lignes métalliques au fil du temps. Au-delà de la logique numérique, le CMOS prend en charge des fonctions analogiques de précision, la détection d’image et les circuits radio pour la 5G, ainsi que les travaux de recherche sur la 6G, étendant l’influence de Sah à presque tous les domaines de l’électronique.

Hommages et modalités des obsèques

Le transport des cendres de Sah au Fujian boucle le récit de sa vie. Scientifique de renommée mondiale, il a commencé ses travaux en Chine, les a poursuivis aux États-Unis, puis les a diffusés sur plusieurs continents par l’intermédiaire de ses étudiants, de ses publications et des produits issus de ses recherches. Son inhumation dans la province de ses ancêtres témoigne à la fois de ses racines personnelles et de la reconnaissance collective. L’Université de Xiamen, où il occupait une fonction honorifique, fait partie des établissements qui saluent son apport.

Des ateliers de Fairchild aux amphithéâtres et aux salles blanches du monde entier, le parcours du CMOS témoigne de la portée des idées de Sah. Chaque fois qu’un appareil s’allume rapidement et consomme peu, son intuition y est pour quelque chose. Voilà un héritage aussi durable que le silicium qu’il a façonné.

À retenir

• Les cendres de Chih-Tang Sah ont été rapatriées des États-Unis au Fujian pour y être inhumées
• En 1963, chez Fairchild, Sah et Frank Wanlass ont proposé ensemble le concept CMOS, qui est au fondement des puces modernes
• En 2011, environ 99 % des circuits intégrés utilisaient le CMOS, selon un manuel de Sorin Voinigescu
• Sah a enseigné à l’Université de l’Illinois et à l’Université de Floride, publié quelque 280 articles et encadré des doctorants
• Le CMOS a permis de créer une logique économe en énergie pour les téléphones, les ordinateurs, les systèmes aérospatiaux et les accélérateurs d’IA comme le H200 de Nvidia
• Son retour intervient alors que la Chine cherche à développer son secteur des puces et que les restrictions à l’exportation de processeurs avancés se poursuivent
• Sah était professeur honoraire à l’Université de Xiamen et reste salué dans le monde universitaire et l’industrie
• Des avancées comme le FinFET et le gate-all-around maintiennent le principe CMOS au cœur des nouvelles générations de puces