Chapitre 2 · Bits, transistors et logique, de 1947 à aujourd’hui
L’ordinateur et la puce
Deux symboles suffisent
Un bit est la plus petite 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 seulement 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, c’est-à-dire 65. Dans l’animation, une rangée de cases brille comme des bits. Changez-en un et le nombre qu’ils écrivent change aussitôt.
Un interrupteur en silicium
En décembre 1947, aux Bell Labs, dans le New Jersey, John Bardeen et Walter Brattain, au sein d’une équipe dirigée 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 main et mesurait environ un centimètre. Aujourd’hui, une seule puce en porte des dizaines de milliards.
Les portes sont de petites règles
Reliez quelques transistors et vous obtenez une porte logique. NOT inverse son entrée : 0 devient 1. AND répond 1 seulement quand les deux entrées valent 1. OR répond 1 quand au moins une entrée vaut 1. Il n’en faut pas plus : toute règle logique d’un ordinateur peut être construite avec ces trois-là. Dans l’animation, les portes sont de petits blocs avec des lumières sur leurs fils, et les signaux circulent de gauche à droite. Dans le bac à sable, vous réglez vous-même les bits d’entrée et suivez le résultat.
Comment on additionne 1 + 1
Additionnez deux bits isolés. 0 + 0 = 0, 0 + 1 = 1, et 1 + 1 = 10 en binaire, c’est-à-dire un bit de somme 0 et une retenue 1. La retenue, c’est simplement a AND b. La somme, c’est « l’un ou l’autre mais pas les deux » : (a OR b) AND NOT (a AND b). Quelques portes, et vous avez un demi-additionneur. Enchaînez-en plusieurs, chacun passant sa retenue au suivant, et vous additionnez des nombres de n’importe quelle longueur. Multiplier, c’est additionner plusieurs fois. Essayez les quatre couples d’entrées dans le bac à sable et lisez la somme et la retenue.
Des milliards d’interrupteurs
Un processeur, l’unité centrale de traitement, est un ensemble de portes agencées pour chercher une instruction, la décoder et l’exécuter, encore et encore. Le premier microprocesseur sur une seule puce, en 1971, avait 2 300 transistors et battait à 740 kHz. Un processeur moderne en contient plus de 10 milliards, les plus grosses puces d’IA environ 100 milliards, et bat à 3 ou 5 GHz. À 3 GHz, un battement dure 1 / 3 000 000 000 s, soit environ 0,33 nanoseconde. Pendant ce temps, la lumière ne parcourt que 10 centimètres, ce qui explique en partie pourquoi les puces doivent être petites.
Mémoire et stockage
Le processeur veut ses données à portée de main. La RAM est la mémoire de travail : très rapide, mais elle oublie tout quand le courant s’éteint. Le stockage, comme les puces flash d’un téléphone ou un SSD, garde les données sans courant en piégeant de minuscules charges électriques. Un octet fait 8 bits, donc un téléphone de 256 Go contient environ 256 × 8 = 2 048 milliards de bits, soit à peu près 2 billions. La règle pratique : plus la mémoire est proche du processeur, plus elle est rapide et petite. Chaque application que vous ouvrez est cette même danse de bits, répétée à une échelle gigantesque.
En chiffres
- 1947
- les Bell Labs construisent le premier transistor
- > 10 milliards
- de transistors dans un processeur moderne
- 0,33 ns
- la durée d’un battement d’un processeur à 3 GHz