Développement de concepts

Au tout début de l'électronique – et par électronique, j'entends les composants actifs (ceux qui doivent être alimentés) à commencer par les tubes – les circuits étaient réalisés en connectant tout avec des fils. Il ne s'agissait pas de pistes sur une carte à circuit imprimé, mais bien de véritables fils qui étaient soudés aux bornes des dispositifs, pour les composants actifs comme passifs. Les cartes à circuit imprimé sont arrivées bien plus tard.

De ce fait, et dans les conditions de l'époque, il était facile de connecter un circuit électronique. Pratiquement tout le monde pouvait le faire. Les circuits étaient plus simples au début. Après tout, les premières radios n'avaient besoin que d'un seul tube. La principale compétence nécessaire était le soudage.

L'avantage de cette méthode d'assemblage simple résidait dans le fait que les amateurs, les professionnels et les étudiants en électronique pouvaient facilement expérimenter. Il suffisait juste d'avoir des outils de soudage et des composants électriques. Les magazines pour amateurs ont proliféré à l'époque, car l'attrait de cette nouvelle technologie accessible a fasciné les plus curieux d'entre nous.

Après la Seconde Guerre mondiale, un autre phénomène a fait son apparition : la mise à disposition de kits électroniques. De nombreuses sociétés se sont lancées dans la vente de composants et la fourniture de manuels d'instructions d'assemblage des composants pour réaliser un produit fini. Ces manuels incluaient une « théorie de fonctionnement » expliquant l'action des composants assemblés et leurs fonctions. Les sociétés Heathkit, Eico, Precision et d'autres fabriquaient ces types de kits. Il était possible de fabriquer ses propres produits : radio, oscilloscope, téléviseur et bien plus encore. C'était une époque formidable pour s'intéresser à l'électronique et pour en savoir plus à ce sujet.

Des tubes, on est passé aux transistors, mais le câblage est resté simple. Les circuits occupaient moins d'espace avec des transistors et ils pouvaient être fabriqués avec des barrettes de connexion composées de rangées de bornes à souder reliées à une barrette non conductrice, par exemple phénolique. À cette époque, les circuits devenaient plus complexes en raison de la diminution du coût des dispositifs électroniques, et des fonctionnalités plus sophistiquées pouvaient être implémentées. Mais à mesure que cette complexité a augmenté, il est devenu de plus en plus nécessaire de simplifier le câblage, et le circuit imprimé a vu le jour.

Les circuits imprimés étaient intéressants, car les professionnels n'avaient besoin d'aucun nouvel outil et avaient déjà le savoir-faire requis : le soudage. Seule une pointe plus petite pouvait parfois être nécessaire pour le fer à souder. Une méthode populaire pour réaliser ces premiers circuits imprimés consistait à déposer une bande opaque sur un morceau de mylar, là où un matériau conducteur était souhaité. Grâce à des procédés photographiques, on pouvait « graver » le motif de la bande sur une carte à revêtement en cuivre. Le processus requis pour fabriquer un circuit imprimé a éliminé plusieurs acteurs du secteur. Peu de personnes étaient prêtes ou avaient le savoir-faire pour fabriquer leur propre circuit imprimé. Il était également possible de payer pour faire fabriquer un circuit imprimé, mais cette dépense supplémentaire a sûrement incité les gens à « abandonner » le domaine.

Toutefois, il existait tellement de nouveaux produits intéressants en cours de production que ce domaine est resté attrayant pour de nombreux acteurs. L'électronique est devenue si avancée que l'éventail des possibilités est pratiquement illimité. C'est un excellent atout pour la discipline, qu'elle soit pratiquée par des ingénieurs électriciens, des physiciens, des étudiants, des amateurs ou tout individu faisant preuve de suffisamment d'intérêt et de persévérance.

Depuis les débuts des circuits imprimés jusqu'à aujourd'hui, où les circuits imprimés sont devenus omniprésents pour connecter les composants, l'électronique elle-même a connu une révolution. Nous sommes passés des transistors discrets aux circuits intégrés. Les circuits intégrés sont l'essence même des circuits imprimés pré-assemblés contenant de l'électronique. Parce qu'ils réduisent considérablement la taille des circuits électroniques complexes et que le coût d'un circuit intégré est directement proportionnel à sa taille, telle que mesurée par la surface utilisée sur un substrat silicium, ils étaient, eux aussi, destinés à devenir plus petits. Les circuits imprimés sont devenus incontournables pour connecter des circuits électroniques. Il existe des exceptions à cette règle, mais je suis convaincu qu'elle est globalement vraie.

À l'époque des premiers circuits intégrés, il était possible de développer un concept et de déboguer l'électronique avec des instruments de laboratoire typiques, comme des multimètres et des oscilloscopes. Il était relativement facile d'accéder aux broches des dispositifs et d'examiner les jonctions des circuits, mais les clients recherchaient des petits produits électroniques plutôt que des grands. Les utilisateurs voulaient de la portabilité. Ils voulaient également davantage de fonctionnalités et des coûts réduits.

L'augmentation des fonctionnalités et la réduction des coûts, tout en conservant une taille réduite, sont probablement les raisons les plus populaires pour développer un produit électronique ou repenser la conception d'un produit existant, et il n'existe qu'un seul moyen d'y parvenir : des niveaux plus élevés d'intégration se présentant sous forme de circuits intégrés plus performants. Le poumon de cette industrie est l'évolution de la technologie des semi-conducteurs. On le constate avec nos smartphones, où les modèles actuels possèdent plus de fonctionnalités pour un coût inférieur par rapport aux modèles précédents. Peut-être allez-vous réfuter mon affirmation selon laquelle le coût est aujourd'hui inférieur, et je vous répondrais en vous demandant si vous faites référence au prix du produit ou à son coût. Je vous garantis que le coût, à un niveau de fonctionnalité donné, est inférieur et que, toutes choses égales par ailleurs, le prix est pratiquement inchangé. En réalité, nous ne sommes prêts à verser des bénéfices conséquents au fabricant que pour l'augmentation des fonctionnalités de ses produits. Le résultat final est que les prix de nos smartphones, uniquement à titre d'exemple, sont restés relativement inchangés.

Pour faire baisser les coûts des composants électroniques tout en réduisant leur taille, l'industrie s'est attaquée au conditionnement des circuits intégrés. Cela a commencé à la hâte dans les années 1980 et s'est accompagné d'une dépendance accrue à l'égard des circuits imprimés. La technologie de conditionnement utilisée était appelée « montage en surface ». Il était tout simplement devenu peu pratique de souder à la main des broches individuelles (c.-à-d., des bornes) lors du montage en surface : c'était faisable, mais peu pratique. Les composants sont désormais fixés aux circuits imprimés à l'aide d'une méthode appelée « soudage à la vague » et, avec celle-ci, il est devenu essentiel de développer un circuit imprimé pour développer un concept. Il n'est plus possible de sonder toutes les broches des circuits intégrés dont les boîtiers recouvrent les broches.

Les étudiants et les amateurs d'électronique ont été confrontés à un problème pratiquement impossible à résoudre lorsque le montage en surface a fait son apparition. Je me souviens avoir assemblé mon dernier Heathkit (il s'agissait d'un multimètre, vers la fin des années 1990) ; peu de temps après, la société a arrêté de vendre ses kits de renommée mondiale. Elle a perdu son statut de société de distribution de kits, « le dernier des Mohicans ».

Comme je l'ai mentionné, les coûts des composants électroniques ont connu une tendance à la baisse, ce qui a permis à l'industrie électronique de connaître une évolution fantastique inconnue jusque-là. Il est devenu possible d'acheter une fonctionnalité de circuit sous la forme de cartes à circuit. Même si le circuit intégré dispose de ses fonctionnalités, il nécessite souvent l'ajout de composants supplémentaires pour fonctionner. Il s'agit de puces d'alimentation, d'horloges, de contrôleurs hôtes, etc. Il est possible d'obtenir un sous-système entièrement fonctionnel sous la forme d'une carte à circuit imprimé, et ce à un coût qui n'est pas prohibitif. Certains de ces circuits imprimés sont appelés modules et d'autres systèmes en boîtier (SiP).

En plus des producteurs de circuits intégrés qui fournissent ces nouvelles cartes à circuit imprimé pour permettre aux clients potentiels d'évaluer leur technologie, un nouveau type de fournisseurs de composants électroniques a fait son apparition. Il s'agit d'entreprises de type « makers professionnels » comme Mikroe (également appelée MikroElektronika), Adafruit, Seeed, SparkFun et bien d'autres encore. Désormais, il est de nouveau aisé de développer un concept en utilisant les composants électroniques les plus sophistiqués au monde.

Il existe des milliers de sous-systèmes électroniques disponibles qui peuvent être utilisés pour produire un système intégré personnalisé. Ces produits commerciaux prêts à l'emploi (COTS) sont utilisés aussi bien par des organisations professionnelles que par des amateurs. En travaillant pour DigiKey Electronics, j'ai remarqué un jour que nous vendions les mêmes circuits intégrés présents sur certains des modules que nous vendions également. Et j'ai constaté que les très grandes entreprises achetaient non seulement les circuits intégrés, mais aussi les modules qui les contenaient ! Je me suis demandé : « Pourquoi une société disposant des ressources pour fabriquer un produit de la façon la plus rentable, la moins coûteuse et la plus productive possible, l'achèterait-elle dans un format un peu plus coûteux, tel qu'une carte à circuit imprimé ? » et j'ai trouvé plusieurs raisons qui pourraient expliquer ce choix.

La première est qu'un module offre une plus grande valeur en ce sens que, dans le cas d'un module RF, il peut être « pré-certifié » par des entités gouvernementales comme la FCC (Federal Communications Commission). Les tests de conformité prennent beaucoup de temps et d'argent. La deuxième raison est liée au délai de mise sur le marché. Si vous n'êtes pas certain de la taille d'un marché, il est préférable de le tester le plus tôt possible. Si la taille du marché existant est suffisante, une reconception peut être entreprise pour réduire le coût du produit avec des méthodologies de conception de niveau inférieur. La troisième raison est de permettre la variation du produit. Avec des sous-systèmes modulaires, il est plus facile de faire varier des ensembles de fonctionnalités et les prix d'un produit. Je voudrais souligner que si les sous-systèmes électroniques sont rentables pour ces entreprises disposant des ressources pour concevoir aux niveaux les plus bas en matière d'électronique, ils sont certainement aussi intéressants pour les passionnés et les étudiants. Mais l'histoire ne s'arrête pas là.

Dans l'univers des sous-systèmes modulaires, il existe une grande variété d'interfaces. Les plus populaires d'entre elles sont les interfaces périphérique série (SPI), I²C, analogiques, quasi-analogiques à modulation de largeur d'impulsion (PWM), UART et parallèles. Parmi celles-ci, seule la dernière présente un large éventail de brochages. Probablement 95 % ou plus des sous-systèmes modulaires ne nécessitent pas d'interface parallèle et cela signifie que les sous-systèmes possèdent eux-mêmes un petit nombre de broches, ce qui permet de maintenir leur coût et leur prix bas.

En raison de la popularité des interfaces évoquées ci-dessus, Mikroe a créé sa norme MikroBUS et la met gratuitement à la disposition de tous ceux qui souhaitent l'utiliser (voir Figure 1). Les fabricants de circuits intégrés sont de plus en plus nombreux à adopter cette interface de sous-système. Je crois que Microchip a été la première société à adopter la norme MikroBUS sur ses cartes d'évaluation et de développement. Si elle a fait ce choix, c'est parce qu'il existe plus de mille modules disponibles basés sur la norme MikroBUS. Selon le nombre de sites MikroBUS sur une carte, il est possible de développer et d'évaluer pratiquement un nombre illimité de concepts sans devoir câbler, recâbler, ni assembler aucune carte à circuit imprimé. Étant donné que la norme MikroBUS est désormais une norme largement acceptée qui spécifie à la fois l'interface électrique et les attributs physiques d'une carte, il est redevenu simple d'implémenter à peu de frais des concepts à presque tous les niveaux de fonctionnalité et de sophistication flexible. Mais ce n'est pas tout.

Figure 1 : Norme MikroBUS. (Source de l'image : MikroElektronika)

Mikroe est une société d'outils de développement. En plus de fabriquer des cartes utilisant sa norme MikroBUS appelées « Click board », elle fabrique également des outils de développement, notamment « CodeGrip ». CodeGrip offre une interface Wi-Fi en plus d'une interface USB. Grâce à l'une ou l'autre de ces connexions, vous pouvez écrire et déboguer le logiciel qui intègre les sous-systèmes existant dans une conception. La connexion Wi-Fi signifie que l'interface peut facilement être reliée à Internet. C'est ce qu'a fait la société à l'aide d'un système appelé Planet Debug.

Planet Debug permet à tout utilisateur disposant de l'environnement de développement intégré (IDE) de Mikroe installé sur son ordinateur personnel et d'une connexion Internet d'accéder à du matériel distant partout dans le monde. En fait, Mikroe peut configurer son matériel avec les cartes Click board que vous demandez. Cela signifie que les avancées technologiques ont maintenant atteint un point où vous n'avez plus besoin de développer ni de câbler vous-même votre matériel pour développer votre concept ou pour apprendre une technologie que vous souhaitez comprendre plus en détail.

C'est une belle époque pour s'intéresser à l'électronique ou pour en apprendre plus à ce sujet. Ma contribution à cette histoire s'arrête ici pour le moment, mais c'est à vous d'écrire la suite en continuant à développer vos propres concepts.