Fonctionnement d'un ordinateur/Les circuits intégrés

De nos jours, les portes logiques et/ou transistors sont rassemblés dans des circuits intégrés. Les circuits intégrés se présentent le plus souvent sous la forme de boitiers rectangulaires, comme illustré ci-contre. D'autres ont des boitiers de forme carrées, comme ceux que l'on peut trouver sur les barrettes de mémoire RAM, ou à l'intérieur des clés USB/ disques SSD. Enfin, certains circuits intégrés un peu à part ont des formes bien différentes, comme les processeurs ou les mémoires RAM. À l'intérieur de ces circuits intégrés, on trouve un grand nombre de transistors et de portes logiques qui sont reliés entre eux et/ou connectés aux broches d'entrée/sortie. Les circuits intégrés contiennent un grand nombre de transistors. Par exemple, les derniers modèles de processeurs peuvent utiliser près d'un milliard de transistors. Cette orgie de transistors permet d'ajouter des fonctionnalités aux composants électroniques. C'est notamment ce qui permet aux processeurs récents d'intégrer plusieurs cœurs, une carte graphique, etc.

Broches du processeur MOS6502.

L'interface d'un circuit intégré modifier

Les circuits intégrés ont, comme les portes logiques, des broches métalliques sur lesquelles on envoie des tensions, chaque broche pouvant servir soit d'entrée, soit de sortie, soit les deux. Certaines de ces broches vont recevoir la tension d'alimentation (broche VCC), d'autres vont être reliées à la masse (broche GND), d'autres vont porter des bits de données ou de contrôle.

Les broches modifier

La plupart des circuits actuels, processeurs et mémoires, comprennent un grand nombre de broches : plusieurs centaines ! Si on prend l'exemple du processeur MC68000, un vieux processeur inventé en 1979 présent dans les calculatrices TI-89 et TI-92, celui-ci contient 68000 transistors (d'où son nom : MC68000). Il s'agit d'un vieux processeur complètement obsolète et particulièrement simple. Et pourtant, celui-ci contient pas mal de broches : 37 au total ! Pour comparer, sachez que les processeurs actuels utilisent entre 700 et 1300 broches d'entrée et de sortie. À ce jeu là, notre pauvre petit MC68000 passe pour un gringalet !

Pour être plus précis, le nombre de broches (entrées et sorties) d'un processeur dépend du socket de la carte mère. Par exemple, un socket LGA775 est conçu pour les processeurs comportant 775 broches d'entrée et de sortie, tandis qu'un socket AM2 est conçu pour des processeurs de 640 broches. Certains sockets peuvent carrément utiliser 2000 broches (c'est le cas du socket G34 utilisé pour certains processeurs AMD Opteron). Pour la mémoire, le nombre de broches dépend du format utilisé pour la barrette de mémoire (il existe trois formats différents), ainsi que du type de mémoire. Certaines mémoires obsolètes (les mémoires FPM-RAM et EDO-RAM) se contentaient de 30 broches, tandis que la mémoire DDR2 utilise entre 204 et 244 broches.

Les sorties et leurs types modifier

Les sorties des circuits intégrés peuvent se classer en plusieurs types, selon leur fonctionnement. Pour les sorties basées sur des transistors, on distingue principalement les sorties totem-pole, les sorties à drain ouvert et les sorties trois-état.

Les sorties totem-pole sont les plus communes pour les circuits CMOS. Ce sont des sorties qui sont connectées à deux transistors : un qui relie la sortie à la masse, et un autre qui la relie à la tension d'alimentation. En technologie CMOS, elles sont équivalentes à des sorties connectées à une porte logique. Elles sont toujours connectées soit à la masse, soit à la tension d'alimentation.

 
Sortie à collecteur ouvert, équivalent en technologie TTL d'une sortie à drain ouvert.

Les sorties à drain/collecteur ouvert sont soit connectées à la masse, soit connectées à rien. La sortie peut être mise à 0 par le circuit intégré, mais elle ne peut pas être mise à 1 sans intervention extérieure. Pour utiliser une sortie à drain ouvert, il faut relier la sortie à la tension d'alimentation à travers une résistance, appelée résistance de rappel.

Il existe aussi une variante, où la sortie peut être mise à 1 par le circuit intégré, ou être déconnectée, mais ne peut pas être mise à 0 sans intervention extérieure. Ici on connecte la sortie à la masse, et non à la tension d'alimentation.

Les sorties trois-état peuvent prendre trois états, comme leur nom l'indique. Soit elles sont connectées à la masse, soit elles sont reliées à la tension d'alimentation, soit elles ne sont connectées ni à l'une ni à l'autre. Si les deux premiers cas correspondent à un 0 et à un 1, l'état déconnecté ne correspond à aucun des deux. Il s'agit d'un état utilisé quand on souhaite déconnecter ou connecter à la demande certains composants dans un circuit. Vous comprendrez en quoi ces sorties sont utiles quand nous parlerons des mémoires et des bus de communication.

Les sorties à drain ouvert et les sorties trois-états sont très utilisés quand il s'agit de connecter plusieurs circuits intégrés entre eux, et nous en reparlerons longuement dans le chapitre sur les bus électroniques. Nous verrons que de nombreux bus exigent que les circuits branchés dessus aient des entrées-sorties trois-états, ou en drain/collecteur ouvert.

Transformer une sortie totem-pole en sortie trois états modifier

Il est possible de fabriquer une sortie trois-états à partir d'une sortie totem-pole normale. Pour cela, il faut placer une porte logique modifiée juste avant la sortie totem-pole. Cette porte logique est une porte OUi améliorée appelée tampon trois-état. Elle possède une entrée de donnée, une entrée de commande, et une sortie : suivant ce qui est mis sur l'entrée de commande, la sortie est soit en état de haute impédance (déconnectée du bus), soit dans l'état normal (0 ou 1).

Commande Entrée Sortie
0 0 Haute impédance/Déconnexion
0 1 Haute impédance/Déconnexion
1 0 0
1 1 1

Pour simplifier, on peut voir ceux-ci comme des interrupteurs :

  • si on envoie un 0 sur l'entrée de commande, ces circuits trois états se comportent comme un interrupteur ouvert ;
  • si on envoie un 1 sur l'entrée de commande, ces circuits trois états se comportent comme une porte OUI.
 
Tampon trois-états.

Un tampon trois-état est parfois implémenté avec le circuit ci-dessous. Son fonctionnement est simple à expliquer. Si le bit de commande vaut 0, la sortie des deux portes vaut 0 et les deux transistors sont ouverts. Si le bit de commande vaut 1, les deux sorties des portes ET sont l'inverse l'une de l'autre. Si le bit d'entrée est à 1, le transistor du haut se ferme et met un 1 en sortie, alors que le transistor du bas s'ouvre. Si le bit d'entrée est à 0, c'est l'inverse, la sortie est reliée à la masse et sort un 0. Si le bit de commande est à 0, la sortie des deux portes sort un 0, les deux transistors se ferment.

 
Circuit trois état, implémentation possible

Transformer une sortie totem-pole en sortie à collecteur ouvert modifier

Il est possible de fabriquer une sortie à collecteur ouvert à partir d'une sortie totem-pole normale. Pour cela, il faut placer un transistor en aval de la sortie normale. Les sorties à drain ouvert utilisent un transistor MOS, les sorties à collecteur ouvert utilisent un transistor bipolaire au lieu d'un transistor MOS. Le tout est illustré ci-dessous.

La sortie est mise à 0 ou 1 selon que le transistor est ouvert ou fermé. Si le transistor est ouvert, la sortie est connectée à la tension d'alimentation, ce qui fait que la sortie est à 1. Si le transistor est fermé, la tension d'alimentation est reliée à la masse, la tension d'alimentation est alors aux bornes de la résistance, et la sortie est donc au niveau de la masse : elle est à 0.

 
Implémentation d'une sortie à collecteur ouvert, équivalent en technologie TTL d'une sortie à drain ouvert.

Pour la variante où la sortie est soit à 1 ou déconnectée, on peut procéder de la même manière, en plaçant un transistor en aval de la sortie. Mais il est aussi possible d'utiliser un autre composant que le transistor : une diode. Une diode est un composant qui ne laisse passer le courant que dans un sens : de l'entrée vers la sortie, mais pas dans l'autre sens. La diode est dite bloquée quand elle ne laisse pas passer le courant, passante quand le courant passe. La diode est passante si on met une tension suffisante sur l'entrée, bloquée sinon. En clair, la diode recopie un 1 présenté sur l'entrée, mais déconnecte la sortie quand on présente un 0 sur l'entrée.

Le ET câblé et le OU câblé avec des sorties à drain ouvert modifier

Les sorties à drain ouvert ont une particularité assez sympathique, qui permet d'implémenter une porte ET simplement en croisant des fils. Il suffit de connecter ces sorties au même fil et de relier celui-ci à la tension d'alimentation à travers une résistance. On obtient alors un ET câblé, qui fait un ET entre plusieurs sorties d'un circuit intégré. Il est illustré ci-dessous.

La tension d'alimentation est reliée au fil à travers une résistance, ce qui permet d'imposer un 1 sur la sortie, à condition que les sorties en collecteur ouvert soient coopératives. Si toutes les sorties sont à 1, elles sont déconnectées, et la sortie est connectée à la résistance de rappel : le circuit sort un 1. Par contre, si une seule sortie sort un 0, elle connectera la tension d'alimentation à la masse et mettra la sortie à 0. C'est le comportement attendu d'une porte ET.

 
Et câblé.

Le OU câblé fonctionne sur le même principe, avec cependant deux grosses différences. Premièrement, les sorties en collecteur ouvert doivent soit imposer un 1 sur la sortie, soit la déconnecter. C'est le fonctionnement inverse à celui vu précédemment. Deuxièmement, la résistance est reliée à la masse, ce qui permet d'imposer un 0 sur la sortie si les sorties en collecteur ouvert soient coopératives. Si toutes les sorties sont à 0, elles sont déconnectées, et la sortie est connectée à masse à travers la résistance de rappel : le circuit sort un 0. Par contre, si une seule sortie sort un 1, elle impose le 1 sur la sortie. C'est le comportement attendu d'un OU.

 
OU câblé.

En théorie, beaucoup de circuits peuvent se simplifier en utilisant des OU/ET câblés. C'en est au point où de nombreux circuits que nous allons voir dans la suite de ce cours pourraient se simplifier grâce à ces montages. Mais ils sont peu utilisés en pratique, surtout sur les circuits CMOS.

La miniaturisation des circuits intégrés et la loi de Moore modifier

En 1965, le cofondateur de la société Intel, spécialisée dans la conception de mémoires et de processeurs, a affirmé que la quantité de transistors présents dans un circuit intégré doublait tous les 18 mois : c'est la première loi de Moore. En 1975, il réévalua cette affirmation : ce n'est pas tous les 18 mois que le nombre de transistors d'un circuit intégré double, mais tous les 2 ans. Elle est respectée sur la plupart des circuits intégrés, mais surtout par les processeurs et les cartes graphiques, les mémoires RAM et ROM, bref : tout ce qui est majoritairement constitué de transistors.

 
Nombre de transistors en fonction de l'année.

La miniaturisation des transistors modifier

L'augmentation du nombre de transistors n'aurait pas été possible sans la miniaturisation, à savoir le fait de rendre les transistors plus petits. Il faut savoir que les circuits imprimés sont fabriqués à partir d'une plaque de silicium pur, un wafer, sur laquelle on vient graver le circuit imprimé. Les transistors sont donc répartis sur une surface plane. Ils ont souvent une largeur et une longueur qui sont très proches. Pour simplifier, la taille des transistors est aussi appelée la finesse de gravure. Celle-ci s'exprime le plus souvent en nanomètres.

La loi de Moore nous donne des indications sur l'évolution de la finesse de gravure dans le temps. Doubler le nombre de transistors signifie qu'on peut mettre deux fois plus de transistors sur une même surface : la surface occupée par un transistor a été divisée par deux. Ainsi, la finesse de gravure est divisée par la racine carrée de deux, environ 1,4, tous les deux ans. Une autre formulation consiste à dire que la finesse de gravure est multipliée par 0,7 tous les deux ans, soit une diminution de 30 % tous les deux ans. En clair, la taille des transistors décroit de manière exponentielle avec le temps !

 
Évolution de la finesse de gravure au cours du temps pour les mémoires FLASH de type NAND.

La fin de la loi de Moore modifier

Néanmoins, la loi de Moore n'est pas vraiment une loi gravée dans le marbre. Si celle-ci a été respectée jusqu'à présent, c'est avant tout grâce aux efforts des fabricants de processeurs, qui ont tenté de la respecter pour des raisons commerciales. Vendre des processeurs toujours plus puissants, avec de plus en plus de transistors est en effet gage de progression technologique autant que de nouvelles ventes.

Il arrivera un moment où les transistors ne pourront plus être miniaturisés, et ce moment approche ! Quand on songe qu'en 2016 certains transistors ont une taille proche d'une vingtaine ou d'une trentaine d'atomes, on se doute que la loi de Moore n'en a plus pour très longtemps. Et la progression de la miniaturisation commence déjà à montrer des signes de faiblesses. Le 23 mars 2016, Intel a annoncé que pour ses prochains processeurs, le doublement du nombre de transistors n'aurait plus lieu tous les deux ans, mais tous les deux ans et demi. Cet acte de décès de la loi de Moore n'a semble-t-il pas fait grand bruit, et les conséquences ne se sont pas encore faites sentir dans l'industrie. Au niveau technique, on peut facilement prédire que la course au nombre de cœurs a ses jours comptés.

On estime que la limite en terme de finesse de gravure sera proche des 5 à 7 nanomètres : à cette échelle, le comportement des électrons suit les lois de la physique quantique et leur mouvement devient aléatoire, perturbant fortement le fonctionnement des transistors au point de les rendre inutilisables. Et cette limite est proche : des finesses de gravure de 10 nanomètres sont déjà disponibles chez certaines fondeurs comme TSMC. Autant dire que si la loi de Moore est respectée, la limite des 5 nanomètres sera atteinte dans quelques années, à peu-près vers l'année 2020. Ainsi, nous pourrons vivre la fin d'une ère technologique, et en voir les conséquences. Les conséquences économiques sur le secteur du matériel promettent d'être assez drastiques, que ce soit en terme de concurrence ou en terme de réduction de l'innovation.

Quant cette limite sera atteinte, l'industrie sera face à une impasse. Le nombre de cœurs ou la micro-architecture des processeurs ne pourra plus profiter d'une augmentation du nombre de transistors. Et les recherches en terme d'amélioration des micro-architectures de processeurs sont au point mort depuis quelques années. La majeure partie des optimisations matérielles récemment introduites dans les processeurs sont en effet connues depuis fort longtemps (par exemple, le premier processeur superscalaire à exécution dans le désordre date des années 1960), et ne sont améliorables qu'à la marge. Quelques équipes de recherche travaillent cependant sur des architectures capables de révolutionner l'informatique. Le calcul quantique ou les réseaux de neurones matériels sont une première piste, mais qui ne donneront certainement de résultats que dans des marchés de niche. Pas de quoi rendre un processeur de PC plus rapide.

L'invention du microprocesseur modifier

Un processeur est un circuit assez complexe et qui utilise beaucoup de transistors. Avant les années 1970, il n'était pas possible de produire un processeur en un seul morceau. Impossible de mettre un processeur dans un seul boitier. À la place, les premiers processeurs étaient fournis en pièces détachées qu'il fallait relier entre elles. Le processeur était composé de plusieurs circuits intégrés, placés sur la même carte mère et connectés ensemble par des fils métalliques. Les tout premiers processeurs étaient fabriqués porte logique par porte logique et comprenaient plusieurs milliers de boitiers reliés entre eux. Par la suite, les progrès de la miniaturisation permirent de faire des pièces plus grandes.

Une avancée majeure dans la miniaturisation des processeurs a eu lieu avec la sortie de l'unité de calcul 74181. Ce circuit permet de faire des calculs sur des nombres, d'où le nom unité de calcul. Il pouvait faire des additions et soustractions, mais n'était pas capable de faire de multiplication ou de division. Et faire des calculs est une fonctionnalité importante du processeur. Si on dispose d'une unité de calcul, il ne manque que quelques mémoires internes appelées registres et des circuits de contrôle pour fabriquer un processeur. Par la suite, d'autres circuits de ce genre virent le jour, ce qui facilita la fabrication des processeurs.

L'intel 4004 : le premier microprocesseur modifier

Par la suite, les progrès de la miniaturisation ont permis de mettre un processeur entier dans un seul circuit intégré. C'est ainsi que sont nés les microprocesseurs, à savoir des processeurs qui tiennent tout entier sur une seule puce de silicium. Les tout premiers microprocesseurs étaient des processeurs à application militaire, comme le processeur du F-14 CADC ou celui de l'Air data computer. Le tout premier microprocesseur commercialisé au grand public est le 4004 d'Intel, sorti en 1971. L'intel 4004 était au départ un processeur de commande, prévu pour être intégré dans la calculatrice Busicom calculator 141-P, mais il fut utilisé pour d'autres applications quelque temps plus tard. Son successeur, l'Intel 4040, garda ces caractéristiques et n'apportait que quelques améliorations mineures : plus de registres, plus d'opérations, etc.

L'intel 4004 comprenait environ 2300 transistors, avait une fréquence de 740 MHz, et manipulait des entiers de 4 bits. Oui, il ne s'agissait pas d'un processeur 32, ni même 16, voire 8 bits, mais de 4 bits. De plus, le processeur manipulait des entiers en BCD, ce qui fait qu'il pouvait manipuler un chiffre BCD à la fois (un chiffre BCD est codé sur 4 bits). Il pouvait faire 46 opérations différentes.

Le 4004 était commercialisé dans un boitier DIP simple, fort différent des boitiers et sockets des processeurs actuels. Le boitier du 4004 avait seulement 16 broches, ce qui était permis par le fait qu'il s'agissait d'un processeur 4 bits. On trouve 4 broches pour échanger des données avec le reste de l'ordinateur, 5 broches pour communiquer avec la mémoire (4 broches d'adresse, une pour indiquer s'il faut faire une lecture ou écriture), le reste est composé de broches pour la tension d'alimentation VDD, la masse VSS et pour le signal d'horloge (celui qui décide de la fréquence).

 
Intel 4004
 
Broches du 4004.

Immédiatement après le 4004, les premiers microprocesseurs 8 bits furent commercialisés. Le 4004 fut suivi par le 8008 et quelques autres processeurs 8 bits extrêmement connus, comme le 8080 d'Intel, le 68000 de Motorola, le 6502 ou le Z80. Ces processeurs utilisaient là encore des boitiers similaires au 4004, mais avec plus de broches, vu qu'ils étaient passés de 4 à 8 bits. Par exemple, le 8008 utilisait 18 broches, le 8080 était une version améliorée du 8008 avec 40 broches. Le 8086 fut le premier processeur 16 bits.

Le passage des boitiers aux slots et sockets modifier

La forme des processeurs a changé au cours du temps. Ils sont devenus plats et carrés. Les raisons qui expliquent la forme des boitiers des processeurs actuels sont assez nombreuses. La première est que les techniques de fabrications des puces électroniques actuelles font qu'il est plus simple d'avoir un circuit planaire, relativement peu épais. De plus, la forme carrée s'explique par la fabrication des puces de silicium, où un cristal de silicium est coupé en tranches, elles-mêmes découpées en puces carrées identiques, ce qui facilite la conception. Un autre avantage de cette forme est que la dissipation de la chaleur est meilleure. Les processeurs actuels sont devenus plus puissants que ceux d'antan, mais au prix d'une dissipation thermique augmentée. Dissiper cette chaleur est devenu un vrai défi sur les processeurs actuels, et la forme des microprocesseurs actuels aide à cela, couplé à des radiateurs et ventilateurs.

Un autre changement tient dans la manière dont le processeur est relié à la carte mère. Les premiers processeurs 8 et 16 bits étaient soudés à la carte mère. Les retirer demandait de les dé-souder, ce qui n'était pas très pratique, mais ne posait pas vraiment de problèmes à l'époque. Il faut noter que certains processeurs assez anciens étaient placés sur des cartes intégrées, elles-mêmes connectées à la carte mère par un slot d'extension, similaire à celui des cartes graphiques.

 
Circuit du Pentium 2..
 
Slot 1-8626, utilisé pour connecter les processeurs Pentium 2 sur la carte mère.
 
Mise en place dans son socket d'un Intel Pentium D 930.

De nos jours, les processeurs n'utilisent plus les boitiers soudés d'antan. Les processeurs sont clipsés dans un connecteur spécial sur la carte mère, appelé le socket. Grâce à ce système, il est plus simple d'ajouter ou de retirer un processeur de la carte mère. L'upgrade d'un processeur est ainsi fortement facilitée. Les broches sont composées de billes ou de pins métalliques qui font contact avec le connecteur.

 
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L'évolution des processeurs dans le temps modifier

La miniaturisation a eu des conséquences notables sur la manière dont sont conçus les processeurs, les mémoires et tous les circuits électroniques en général. On pourrait croire que la miniaturisation a entrainé une augmentation de la complexité des processeurs avec le temps, mais les choses sont à nuancer. Certes, on peut faire beaucoup plus de choses avec un milliard de transistors qu'avec seulement 10000 transistors, ce qui fait que les puces modernes sont d'une certaine manière plus complexes. Mais les anciens processeurs avaient une complexité cachée liée justement au faible nombre de transistors.

Il est difficile de concevoir des circuits avec un faible nombre de transistors, ce qui fait que les fabricants de processeurs devaient utiliser des ruses de sioux pour économiser des transistors. Les circuits des processeurs étaient ainsi fortement optimisés pour économiser des portes logiques, et ce à tous les niveaux. Les circuits les plus simples étaient optimisés à mort, on évitait de dupliquer des circuits, on partageait les circuits au maximum, etc. La conception interne de ces processeurs était simple au premier abord, mais avec quelques pointes de complexité dispersées dans toute la puce. De nos jours, les processeurs n'ont plus à économiser du transistor et le résultat est à double tranchant. Certes, ils n'ont plus à utiliser des optimisations pour économiser du circuit, mais ils vont au contraire utiliser leurs transistors pour incorporer des optimisations pour rendre le processeur plus rapide. Beaucoup des techniques que nous verrons dans ce cours, comme l’exécution dans le désordre, le renommage de registres, les mémoires caches, la présence de plusieurs circuits de calcul, et bien d'autres ; améliorent les performances du processeur en ajoutant des circuits en plus. De plus, on n'hésite plus à dupliquer des circuits qu'on aurait autrefois mis en un seul exemplaire partagé. Tout cela rend le processeur plus complexe à l'intérieur.

Une autre contrainte est la facilité de programmation. Les premiers processeurs devaient aussi faciliter au plus la vie du programmeur. Il s'agissait d'une époque où on programmait en assembleur, c'est à dire en utilisant directement les instructions du processeur !Pourtant, les processeurs de l'époque avaient des caractéristiques gênantes pour les programmeurs qui s'expliquent surtout par le faible nombre de transistors de l'époque (peu de registres, registres spécialisés, architectures à pile ou à accumulateur, autres). Ces processeurs étaient assez étrange pour les programmeurs : très simples sur certains points, difficiles pour d'autres. Les processeurs modernes ont d'autres contraintes. Grâce à la grande quantité de transistors dont ils disposent, ils incorporent des caractéristiques qui les rendent plus simples à programmer et à comprendre (registres banalisés, architectures LOAD-STORE, beaucoup de registres, moins d'instructions complexes, autres). De plus, si on ne programme plus les processeurs à la main, les langages de haut niveau passe par des compilateurs qui eux, programment le processeur. Leur interface avec le logiciel a été simplifiée pour coller au mieux avec ce que savent faire les compilateurs. En conséquence, l’interface logicielle des processeurs modernes est paradoxalement plus minimaliste que pour les vieux processeurs.

Tout cela pour dire que la conception d'un processeur est une affaire de compromis, comme n'importe quelle tâche d'ingénierie. Il n'y a pas de solution parfaite, pas de solution miracle, juste différentes manières de faire qui collent plus ou moins avec la situation. Et les compromis changent avec l'époque et l'évolution de la technologie. Les technologies sont toutes interdépendantes, chaque évolution concernant les transistors influence la conception des puces électroniques, les technologies architecturales utilisées, ce qui influence l'interface avec le logiciel, ce qui influence ce qu'il est possible de faire en logiciel. Et inversement, les contraintes du logiciel influencent les niveaux les plus bas, et ainsi de suite. Cette morale nous suivra dans le reste du cours, où nous verrons qu'il est souvent possible de résoudre un problème de plusieurs manières différentes, toutes utiles, mais avec des avantages et inconvénients différents.