Une histoire de l’architecture des ordinateurs

Comment est-on passé de machines grosses comme des hangars à des ordinateurs qui tiennent dans la poche ? Dans ce cours, Olivier, professeur de numérique et sciences informatiques, revient sur l'ingénieuse histoire de l’architecture des ordinateurs, de l’Antiquité à nos jours.

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De la mécanique aux circuits intégrés

Sous l'Antiquité, pour les aider à compter (position du Soleil et de la Lune pour prédire les éclipses, distances entre les villes...), les hommes mettent au point des dispositifs de calculs purement mécaniques. Au fil de l'histoire et des progrès techniques, le developpement de mécanismes de plus en plus ingénieux et performants va se poursuivre pour effectuer des calculs. L'arrivée de l'électricité ouvre le champ des possibles : le développement des ordinateurs électromécaniques (utilisant des relais électromagnétiques), puis électroniques (avec les tubes à vide et les premiers transistors) jusqu’à l’arrivée du transistor MOS et des microprocesseurs. Puis place à l’évolution des circuits intégrés, de leurs débuts jusqu’à nos jours avec les puces des smartphones modernes équipées de composants de plus en plus rapides et contenant de plus en plus de fonctionnalités.

Les ancêtres de la machine à calculer et de l'ordinateur

1. Avant l’électricité

► La première machine à calculer

En 1642, Blaise Pascal met au point la Pascaline, une machine à faire des additions et des soustractions. Cinquante ans plus tard, l'Allemand Leibniz perfectionne cette machine en lui permettant d'effectuer des multiplications et des divisions. Le développement des mécanismes se poursuit avec la création de machines de plus en plus grosses et de plus en plus performantes pour effectuer des calculs.

► L'ancêtre de l'ordinateur

En 1884, le mathématicien anglais Charles Babbage complexifie le concept et crée une machine analytique. Dotée d'un ensemble de disques et d'engrenages, et d'une sorte de clavier de type machine à écrire, elle permet d'entrer des données, de les analyser et d'obtenir un résultat. Parmi ses collaborateurs, Babbage compte Ada Lovelace considérée comme la première à avoir écrit, en 1843, un programme informatique en travaillant sur le fonctionnement de cette machine. C'est elle qui utilise pour la première fois le mot « algorithme ».

Comment sont nés les microprocesseurs et programmes informatiques ?

2. Naissance des microprocesseurs

► Calculs binaires

Avec l'électricité, de nouvelles possibilités apparaissent. Une étape cruciale est franchie en 1937 par Claude Shannon. Il écrit un mémoire dans lequel il explique de quelle manière il est possible de faire des calculs en utilisant de l'électricité. Il se base sur des travaux montrant le remplacement de raisonnements logiques par des calculs binaires (c'est-à-dire composés de 0 et de 1). Cette notation binaire va permettre d'effectuer tout type de calcul et tout type d'enchaînement d'instructions. Shannon prouve qu'on peut réaliser physiquement ces opérations à l'aide des relais électromagnétiques (ces aimants en forme de bobine).

Grâce à l'usage de l'électricité, Shannon explique comment on peut construire un additionneur à 4 chiffres binaires. Il est le premier à utiliser le terme de « bit » (binary digit) : chiffre binaire.

► Premier ordinateur électronique

Puis les « tubes à vide » (ampoules) apparaissent et remplacent les relais électromagnétiques encore trop lents. L'ENIAC, le premier ordinateur électronique est mis au point en 1945 par les Américains Mauchly et Eckert. La machine comporte près de 18 000 tubes à vide, des sortes d'interrupteurs contrôlables électriquement. En matière de vitesse, le gain est impressionnant : l'ENIAC calcule mille fois plus vite que les machines électromécaniques à base de relais. Très performant, l'appareil reste toutefois encore archaïque : pas de calcul en binaire mais en base 10 (avec des manettes de réglage de chiffres de 0 à 9), une programmation avec un cablage à la main fastidieux.

► Le programme informatique automatique

Mauchly et Eckert se rapprochent de John von Neumann, mathématicien hongrois émigré aux Etats-Unis qui travaille dans le projet Manhattan. A partir de son expérience de puissance de calculs, ils cherchent à modifier l'organisation interne de l'ordinateur : c'est l'architecture von Neumann.

En parallèle, pour remplacer le tube à vide gourmand en électricité, on met au point le transistor. Grâce à lui, on construit des ordinateurs beaucoup plus rapides, fiables et performants.

Naissance des puces électroniques

3. Architecture moderne d’un ordinateur

► Le circuit intégré

Face à l'explosion du nombre de fils électriques qu'il faut pour brancher les transistors, les ingénieurs développent le « circuit intégré » (assemblage de plusieurs transistors dans des petits circuits). Les premiers sont mis au point par Jack Kilby, puis par Robert Noyce. Ces circuits intégrés sont construits à base de silicium qui devient la technologie la plus utilisée. Un type de transistor est standardisé : la technologie MOS inventée par l'Egyptien Mohamed Atalla et le Coréen Dawon Kahng. Le transistor MOS est composé de 3 couches :

• un métal (M)
• un oxyde (O)
• un semi-conducteur (S)

Il s'agit d'un interrupteur que l'on peut contrôler électriquement. C'est le contituant de base de nos ordinateurs. Son avantage est de pouvoir voir sa taille réduite.

► Carte mère

Au fil des ans, l'architecture interne des ordinateurs se complexifie, comprenant de plus en plus de périphériques. C'est l'architecture à base de carte mère.

Une carte mère comprend un processeur, une mémoire, une carte-vidéo, mais aussi des ports USB, des entrées et sorties son, un disque dur, un lecteur de carte-mémoire externe etc. Une nouvelle fois avec la technologie très évolutive, on continue à réduire tous ces composants. En standardisant ces derniers, certaines fonctionalités vont être incluses directement sur la puce du microprocesseur.

► Les puces de smartphone

Aujourd'hui, une puce électronique contient un processeur avec de nombreux centres de calculs, des fonctionnalités graphiques, de communication (wifi, bluetooth, 4G, 5G...). Plus récemment certains intègrent aussi des simulateurs de réseaux de neurones adaptés aux applications d'intelligence artificielle, de géolocalisation ou d'identification pour sécuriser son appareil.