Comment fonctionne un ordinateur ? Bits, transistors, portes logiques et processeur
Un ordinateur fonctionne en transformant toute information en bits, 0 et 1, conservés sous forme de tension basse ou haute dans des milliards de minuscules interrupteurs, les transistors. Des portes logiques faites de transistors, ET, OU et NON, combinent les bits par des règles simples pour calculer, et le processeur répète un cycle, chercher une instruction, la décoder, l’exécuter, des milliards de fois par seconde. Un processeur moderne contient plus de 10 milliards de transistors et cadence entre 3 et 5 GHz : à 3 GHz, un cycle dure environ 0,33 nanoseconde.
Un ordinateur peut montrer un film ou jouer aux échecs, alors qu’au fond il ne connaît que deux symboles. Voici comment les bits représentent nombres et lettres, comment un transistor joue l’interrupteur, comment trois portes savent additionner, ce que le processeur fait de chaque instruction et en quoi la mémoire diffère du stockage.
Idées essentielles
- Toutes les données sont des bits. Huit bits forment un octet, avec 256 combinaisons. Le motif binaire 1011 est le nombre 11, et la lettre A majuscule est stockée comme 65, soit 01000001.
- Un transistor est un interrupteur sans pièce mobile. Les Bell Labs ont construit le premier en décembre 1947, et un processeur moderne en compte plus de 10 milliards.
- Trois portes, ET, OU et NON, suffisent pour bâtir toute règle logique, y compris un demi-additionneur qui additionne deux bits et transmet une retenue.
- Un processeur répète chercher, décoder, exécuter. À 3 GHz, un cycle dure environ 0,33 ns, durée pendant laquelle la lumière ne parcourt qu’environ 10 centimètres.
- La mémoire vive est rapide mais oublie tout quand le courant est coupé, alors que le stockage, comme la mémoire flash, garde les données sans courant. Plus on est près du processeur, plus la mémoire est rapide et petite.
Deux symboles suffisent
Un bit est la plus petite unité d’information : 0 ou 1, éteint ou allumé, tension basse ou haute. Huit bits forment un octet, qui peut contenir 256 motifs différents. Le binaire compte comme nous, avec deux chiffres au lieu de dix. Le motif 1011 signifie 1 × 8 + 0 × 4 + 1 × 2 + 1 × 1 = 11.
Les lettres, les couleurs et les sons ne sont que des motifs convenus. La lettre A majuscule est 01000001, soit 65 dans le code ASCII courant. Chaque bit supplémentaire double le nombre de motifs : 8 bits en donnent 256, 10 bits en donnent 1 024 et 32 bits environ 4,3 milliards. Le convertisseur binaire de VITON13 SCHOOL permet de basculer des bits et de voir le nombre changer.
Un interrupteur en silicium
En décembre 1947, aux Bell Labs, dans le New Jersey, John Bardeen et Walter Brattain, au sein d’un groupe dirigé par William Shockley, ont fabriqué le premier transistor. Tous trois ont partagé le prix Nobel de physique en 1956. Un transistor est un interrupteur sans pièce mobile : une petite tension sur une borne laisse passer le courant entre les deux autres, ou le bloque. Il a remplacé les tubes à vide, gros comme un pouce, chauds et fragiles.
Le premier transistor était fait à la main et mesurait environ un centimètre. Aujourd’hui un seul processeur en compte plus de 10 milliards, les plus grosses puces d’IA environ 100 milliards, et tous sont fabriqués en même temps en imprimant des motifs de lumière sur un disque de silicium.
Les portes sont de minuscules règles
Câblez quelques transistors et vous obtenez une porte logique. NON inverse son entrée : 0 devient 1. ET répond 1 seulement quand les deux entrées valent 1. OU répond 1 quand au moins une entrée vaut 1. Il n’en faut pas davantage : toute règle logique d’un ordinateur peut être bâtie avec ces trois portes.
Additionnons maintenant deux bits isolés. 0 + 0 = 0, 0 + 1 = 1, et 1 + 1 = 10 en binaire, soit un bit de somme 0 et un bit de retenue 1. La retenue est simplement a ET b. La somme est « l’un ou l’autre, mais pas les deux » : (a OU b) ET NON (a ET b). Quelques portes donnent un demi-additionneur. Chaînez-en plusieurs, chacun passant sa retenue au suivant, et l’on additionne des nombres de n’importe quelle longueur. La soustraction et la multiplication se bâtissent sur l’addition.
Le processeur : chercher, décoder, exécuter
Un CPU, l’unité centrale de traitement, est un assemblage de portes qui cherche une instruction en mémoire, la décode et l’exécute, puis cherche la suivante. Une instruction est elle-même un motif de bits, par exemple « ajoute le nombre du registre A à celui du registre B ». Un jeu ou un navigateur, ce sont des millions d’instructions de ce genre, que le processeur parcourt dans l’ordre, sauf si l’une d’elles lui commande de sauter ailleurs.
Le premier microprocesseur monopuce, en 1971, avait 2 300 transistors et cadençait à 740 kHz. Un processeur moderne cadence entre 3 et 5 GHz. À 3 GHz, un cycle dure 1 / 3 000 000 000 s, environ 0,33 nanoseconde, et la lumière ne parcourt alors qu’environ 10 centimètres, ce qui explique en partie pourquoi les puces doivent être petites. Les processeurs actuels ont de plus plusieurs cœurs, des copies du processeur qui travaillent côte à côte.
La photo montre la puce de silicium nue d’un microprocesseur 8 bits de la famille Z80. Les blocs ordonnés et l’enchevêtrement plus dense de logique sont faits de transistors et de pistes, et les petits carrés sur le pourtour sont des plots où de fins fils relient la puce au monde extérieur.
Mémoire et stockage
Le processeur veut ses données à portée de main. La mémoire vive est la mémoire de travail : très rapide, mais elle oublie tout quand le courant est coupé. Entre les deux, un petit cache, plus rapide encore. Le stockage, comme les puces flash d’un téléphone ou d’un SSD, conserve les données sans courant en piégeant de minuscules charges électriques.
Un octet fait 8 bits : un téléphone de 256 Go contient donc environ 256 × 8 = 2 048 milliards de bits, soit à peu près 2 000 milliards. Règle pratique : plus on est près du processeur, plus la mémoire est rapide et petite. Chaque application que vous ouvrez est cette même danse de bits, répétée à une échelle gigantesque.
Comment le VJOURNAL SMART BOOK le montre
Le chapitre « L’ordinateur et la puce » du VJOURNAL SMART BOOK « Comment ça marche », tome I, compte cinq moments animés : une rangée de cases brille comme des bits, un transistor bascule, trois portes additionnent deux nombres, un processeur bat en gigahertz et la mémoire se distingue du stockage. Dans l’animation, les portes sont de petits blocs avec des lumières sur leurs fils, et les signaux circulent de gauche à droite.
Sous l’image, un bac à sable : fixez vous-même les bits d’entrée, suivez le signal à travers les portes et essayez les quatre paires d’entrées du demi-additionneur en lisant la somme et la retenue. Le chapitre contient aussi des faits clés, un quiz de trois questions avec explications et les sources.
En mots simples
Un ordinateur est une immense foule d’interrupteurs câblés de sorte que basculer les uns fait basculer les autres selon des règles fixes. Si on le fait assez vite, des milliards de fois par seconde, les interrupteurs additionnent, dessinent des images et jouent de la musique.
À vous de jouer
Convertissez le nombre binaire 1101 en décimal, puis ajoutez-lui 1011 en binaire. Vérifiez le résultat en additionnant en décimal.
Résultat attendu
1101 = 8 + 4 + 0 + 1 = 13, et 1011 = 11. En binaire, 1101 + 1011 = 11000, soit 16 + 8 = 24, égal à 13 + 11.
Vérifiez votre réponse: Combien de valeurs différentes peuvent tenir dans 10 bits ?
Deux puissance 10, soit 1 024 valeurs, de 0 à 1 023.
Questions et réponses
Que fait réellement un ordinateur ?
Il suit des instructions : en chercher une en mémoire, la décoder, l’exécuter, recommencer. Les instructions sont simples, comme additionner deux nombres, les comparer ou sauter ailleurs, et tout ce que vous voyez à l’écran est bâti avec des milliards d’entre elles par seconde.
Pourquoi les ordinateurs utilisent-ils le binaire ?
Deux états se distinguent facilement et de façon fiable. Un transistor conduit ou ne conduit pas, une tension est basse ou haute, et un peu de bruit électrique ne change pas l’un en l’autre. Garder propres des signaux à nombreuses valeurs serait beaucoup plus difficile.
Quelle différence entre le CPU et la mémoire vive ?
Le CPU traite les données. La mémoire vive conserve les programmes et les données utilisés à l’instant, pour que le CPU y accède vite, et elle perd son contenu quand le courant est coupé.
Combien de transistors dans une puce d’ordinateur ?
Le premier transistor de 1947 était unique. Le microprocesseur de 1971 en avait 2 300. Un processeur moderne en a plus de 10 milliards, et les plus grosses puces d’IA environ 100 milliards.
Que signifie 3 GHz ?
Un gigahertz, c’est un milliard de cycles par seconde : 3 GHz représentent donc environ 3 milliards de cycles chaque seconde. Un cycle dure environ 0,33 nanoseconde, et le processeur peut accomplir une part du travail à chacun.
Retenez trois lignes : tout est bits, un transistor est un interrupteur, et des portes faites de transistors savent additionner. Ouvrez ensuite le chapitre et additionnez deux bits vous-même dans le bac à sable.
Sources et lectures
- Nobel Prize: Physics 1956, the transistor ↗Sources consultées:
- Computer History Museum: The Silicon Engine ↗Sources consultées:
- Computer History Museum: the microprocessor integrates the CPU onto a single chip ↗Sources consultées:
- Britannica: Transistor ↗Sources consultées: