Une photo de puce ressemble d'abord à une ville vue d'avion : des bandes métalliques, des formes répétées, quelques carrés plus clairs et aucun panneau pour dire où l'on se trouve. Ken Shirriff part pourtant de cette image pour reconstruire le schéma du TDA7000, un récepteur FM conçu chez Philips à la fin des années 1970. Il ne possède pas le plan interne officiel. Il suit les traces visibles, identifie les composants, compare avec le datasheet et vérifie les blocs qu'il ne comprend pas encore par simulation.1
Le résultat est moins une autopsie de puce qu'une méthode de lecture. Le silicium devient une documentation physique : ce que le concepteur avait décidé de faire en 1977 reste inscrit dans la taille d'une résistance, la symétrie d'un mélangeur ou le détour imposé à une piste métallique.
Avant les fils
Le TDA7000 est un bon terrain d'exercice parce qu'il appartient à une fenêtre technologique particulière. Philips l'a conçu en 1977 avant de le commercialiser au début des années 1980. Le die mesure environ 3,5 mm de côté et intègre l'essentiel d'un récepteur FM mono, de l'entrée antenne à la sortie audio.2 Il reste bien des composants externes, une alimentation et de quoi produire le son : « radio sur une puce » ne signifie pas qu'un haut-parleur pousse miraculeusement dans le silicium.
Ce qui change est la quantité de réglages et de composants nécessaires autour. IEEE rappelle qu'une radio FM conventionnelle demandait alors couramment dix à quatorze alignements en production ; le TDA7000 n'en demandait plus qu'un.2 Une bonne partie du travail de réglage avait simplement migré à l'intérieur du circuit Philips.
Quarante-huit ans plus tard, cette intégration a un avantage inattendu : elle reste visible. Le TDA7000 n'utilise qu'une couche de métal. Sur une puce moderne, une douzaine de couches ou davantage peuvent masquer les structures sous une pile de routage. Ici, les lignes blanches du métal se suivent presque à l'œil, et les variations de couleur du silicium dopé dessinent encore les composants.1
Trouver le sol
La première étape de Shirriff n'est pas de reconnaître un circuit spectaculaire. Elle consiste à trouver l'alimentation et la masse.
Le datasheet donne le brochage. Sur la photo du die, les pads reliés aux broches bordent la puce. Les pistes de masse et d'alimentation se distinguent parce qu'elles sont épaisses et irriguent de nombreuses zones. Une fois ces deux réseaux identifiés, les autres connexions deviennent moins ambiguës : sur un transistor NPN, le collecteur remonte souvent vers l'alimentation et l'émetteur redescend vers la masse, parfois à travers une résistance.1
C'est une idée de reverse engineering assez générale : commencer par ce qui traverse tout le système avant de suivre les signaux intéressants. Chercher immédiatement « où va cette ligne ? » produit vite un labyrinthe. Chercher d'abord les rails d'énergie donne une carte.
Colorier le labyrinthe
À cette échelle, le problème devient rapidement administratif. Le TDA7000 contient plus d'une centaine de transistors NPN et seulement neuf PNP, auxquels s'ajoutent résistances, diodes et condensateurs intégrés.1 Shirriff numérote donc chaque composant et colore chaque connexion directement sur la photo avec GIMP. Il reporte ensuite les mêmes numéros dans KiCad.
L'outil de CAO n'est pas là pour automatiser la découverte. Il évite surtout qu'une feuille de papier devienne illisible à mesure que le circuit grandit. Même stratégie pour le parcours : Shirriff recommande de terminer une petite zone avant de suivre une piste sur toute la puce. Les circuits intégrés sont généralement dessinés avec une certaine localité ; achever un bloc entre alimentation et masse produit plus souvent quelque chose de compréhensible que poursuivre une base de transistor au hasard.1
Cette méthode fonctionne aussi parce que les formes ont un sens électrique. Une résistance en silicium s'allonge et serpente quand sa valeur augmente. Une paire différentielle tend à être symétrique. Un miroir de courant répète des géométries proches. Un condensateur de jonction ressemble ici à des doigts imbriqués. Ce ne sont pas des conventions graphiques dessinées pour le lecteur : ce sont les composants eux-mêmes.
La radio réapparaît
Quand les composants locaux sont regroupés, des morceaux de radio commencent à émerger. Le TDA7000 est un superhétérodyne : un oscillateur local et un mélangeur déplacent la station reçue vers une fréquence intermédiaire beaucoup plus basse. Philips a choisi une FI d'environ 70 kHz, suffisamment basse pour remplacer une partie des filtres accordés traditionnels par des filtres passe-bas intégrables.3
Ce choix crée son propre problème. Une émission FM peut dévier d'environ ±75 kHz autour de sa fréquence centrale, soit davantage que la FI elle-même. Philips utilise donc une boucle de verrouillage en fréquence pour comprimer l'excursion avant le filtrage ; la revue technique décrit une réduction vers environ ±15 kHz.3 Le circuit n'est pas simplement « la version miniature » d'une radio discrète : son architecture a été adaptée aux choses qu'un procédé intégré de l'époque savait fabriquer efficacement.
On retrouve cette architecture dans le die. Shirriff identifie plusieurs cellules de Gilbert, des multiplicateurs analogiques à la géométrie très symétrique. Elles servent au premier mélange de fréquence, à la démodulation en quadrature, au corrélateur qui aide à déterminer si la radio est correctement accordée et même à la coupure audio lorsque ce n'est pas le cas.1
L'erreur utile
Le piège serait de croire qu'une bonne photo transforme le reverse engineering en coloriage. Shirriff raconte justement un composant qui lui a résisté dans le générateur de bruit. Une structure ressemblait à un transistor dont collecteur et base auraient été reliés. En suivant le circuit, il découvre que ce qu'il prenait pour le collecteur n'était qu'un contact de résistance ; le vrai collecteur se trouvait ailleurs et était partagé avec cinq autres transistors.1
C'est là que les outils changent de rôle. Le datasheet donne des contraintes. Le schéma KiCad oblige à rendre les connexions explicites. Et lorsqu'un petit sous-circuit reste mystérieux, Shirriff le reproduit dans LTspice pour vérifier son comportement.1 La photo fournit les indices, pas la réponse.
Il le rappelle jusque dans son schéma final : la reconstruction n'est pas garantie exacte à 100 %.1 Cette réserve rend la démarche plus intéressante, pas moins. Le reverse engineering analogique est une enquête où chaque forme doit être compatible à la fois avec la fabrication, le circuit électrique et la fonction attendue.
Les contraintes parlent
Le TDA7000 montre aussi quelque chose que le schéma propre fait disparaître : les compromis physiques du concepteur. Avec une seule couche de métal, deux fils ne peuvent pas simplement se croiser. Les pistes font des détours. Certains transistors sont étirés pour laisser passer une connexion. Shirriff ne repère que deux « cross-unders », de courtes traversées réalisées dans le silicium, plus résistif que le métal et donc utilisées avec parcimonie.1
À l'inverse, une résistance intégrée peut occuper une grande surface et varier fortement en valeur absolue d'une puce à l'autre. Les concepteurs analogiques préfèrent donc souvent des rapports de résistances, plus stables sur un même die, ou des topologies à transistors qui économisent les grandes résistances.1
Le schéma explique ce que fait le circuit. La photo explique aussi ce qu'il a coûté physiquement de le faire. C'est la partie la plus transférable de la méthode de Shirriff : quand la documentation manque, l'objet lui-même reste une archive des contraintes qui l'ont produit. Il faut simplement accepter de la lire lentement, un rail, un transistor et une erreur à la fois.