HistoriqueLes Machines Numériques et l'Informatique :
PRÉFACE
La technique digitale (ou numérique, terme que nous utiliserons de préférence car il est désormais normalisé) est celle des circuits microélectroniques, faisant appel au langage binaire. Son évolution est étroitement liée aux recherches scientifiques débouchant sur des technologies nouvelles.
On trouve des éléments de technique numérique dans les secteurs très différents tels que :
les réseaux ferroviaires
les centraux téléphoniques
l'aéronautique.
La coordination des aiguillages ferroviaires et la téléphonie automatique furent les premières applications de l'algèbre de Boole, base de toutes les opérations effectuées en technique numérique.
Grâce à cette algèbre, l'organisation de ces systèmes est telle que ces derniers prennent des décisions élémentaires qui s'apparentent à celle du cerveau humain.
Avec l'automatisme, les dispositifs logiques, qui à l'origine, étaient tous mécaniques, puis électromécaniques, furent remplacés par des systèmes électroniques et la technologie numérique se perfectionna : les circuits devenant plus petits, plus performants, donc capables d'effectuer des opérations de plus en plus complexes.
Ces circuits furent appelés "digitaux" du terme anglais "digit" qui signifie chiffre. Nous les désignerons sous le vocable : circuits numériques.
Parallèlement, les systèmes mécaniques ou électromécaniques se perfectionnèrent également, sans toutefois rivaliser avec l'électronique sur le plan de la vitesse et de la miniaturisation. Ils gardent encore certaines applications. En milieu industriel, on utilise fréquemment des systèmes pneumatiques (utilisant l'air) qui se marient parfois avec des systèmes électroniques.
La fluidique, technique dans laquelle on utilise la circulation d'un fluide (liquide ou gaz) s'est développée avec l'apparition du "fluidistor". Ces circuits ne sont pas constitués de conducteurs électriques, mais de tubes et de cavités internes aux formes appropriées, de manière à effectuer des opérations semblables à celles des commutateurs électromécaniques ou électroniques.
Le fluidistor utilise le principe des déviations de jet, combiné à l'effet de parois (effet Coanda utilisé dans certains moteurs aéronautiques).
Quelques prototypes de calculateurs furent même élaborés dans cette technologie, mais leur lenteur, leur manque de fiabilité et leurs dimensions furent un gros handicap à leur développement, et les firent vite oublier.
Aujourd'hui, quand on parle de "technique numérique", on ne pense généralement qu'aux applications électroniques et à la multitude de microcircuits mis en œuvre.
Tous les développements technologiques de cette technique sont orientés vers une plus grande intégration des circuits, permettant ainsi une diffusion plus large.
Afin de mieux comprendre l'évolution de ces systèmes, il n'est donc pas hors de propos de faire un raccourci historique de l'évolution de l'électronique depuis les origines de l'électricité jusqu'à nos jours puisque celle-ci est largement utilisée. L'évolution de la technique numérique appliquée à l'informatique sera ensuite présentée. Des exemples, sur la généralisation de cette technique et de l'emploi du microprocesseur, seront ensuite donnés.
1. - L'ÉLECTRICITÉ
La découverte des phénomènes électriques
700 ans avant J.C., Thalès note que l'ambre jaune a la propriété d'attirer des corps légers par frottements sur la peau d'un chat.
1. 1. - L'ÉLECTROSTATIQUE
Au XVème siècle, l'anglais Gilbert retrouve les propriétés de l'ambre jaune dans les substances isolantes : la résine et le verre.
Les lois de l'électrostatique sont établies par Coulomb puis Faraday en 1785.
1.2. - L'ÉLECTROCINÉTIQUE
En 1790, Galvani réalise les premières expériences qui conduisent Volta à découvrir, en 1800, la première pile électrique.
Les lois fondamentales de l'électrocinétique sont établies par Ohm en 1827 et Pouillet en 1837.
En 1833, Faraday établit les lois de l'électrolyse.
En 1841, Joule établit les lois de l'effet thermique.
En 1848, Kohbrausch définit la résistivité.
1.3. - L'ÉLECTROMAGNÉTISME
En 1880, Oersted établit les premières lois liant les phénomènes électromagnétiques et électriques.
Laplace et Ampère dictent les lois régissant l'action réciproque des champs magnétiques sur les courants.
Faraday découvre l'induction en 1831, Lentz en établit les lois en 1834. En 1832, Henry étudie l'auto-induction.
1.4. - LES APPLICATIONS INDUSTRIELLES
Le premier moteur est dû à Barlow en 1828, le premier générateur à Ampère en 1832. En 1856, Siemens invente la dynamo, mais Gramme produit pour la première fois du courant continu en 1869 à son anneau à collecteur.
En 1878, Edison invente la lampe à incandescence.
En 1884, Gaulard invente le transformateur.
L'électronique, fille de l'électricité est la science qui utilise et contrôle le déplacement des électrons dans les semi-conducteurs, le vide et les gaz.
2. - L'ÉLECTRONIQUE
Celle-ci voit rapidement évoluer les composants qu'elle emploie.
Son évolution fut plus rapide encore que celle de l'électricité, et ce, principalement depuis la fin de la seconde guerre mondiale.
C'est pourquoi nous en ferons le rappel au moyen d'un tableau :
1817 Berthesius identifie le Sélénium
1887 Hertz découvre l'effet photoélectrique
1888 Hertz découvre les ondes électromagnétiques
1891 William Shockley, des laboratoires Bell, baptise le plus petit corpuscule de charge négative : électron
1897 John Joseph Thomson découvre expérimentalement l'électron
1901 Richardson découvre l'effet thermoïonique
1904 Flemming invente la diode
1907 Lee de Forest invente la triode
1915 Schottky invente la tétrode
Bernard Tellegen invente la pentode
1923 Lossev réalise un circuit oscillant au cristal de zincite
1928 Lilienfeld étudie l'action d'un champ électrostatique sur un courant électrique
1930 Weber contrôle l'émission d'électrons dans un semi-conducteur
1930 Le Français Tetzner invente le premier transistor à effet de champ : le technetron
1930 Holst, Van Geel, Pohl, Hilsch, Voigt, Koch étudient la théorie du transistor à pointe
1948 - 1950 Teal et Pfann réussissent au laboratoire Bell, à produire du Silicium, dont la pureté atteint 99,99999 %
1948 Bardeen, Brattain, Shockley (Bell System Laboratories) inventent le transistor à jonctions
1950 Teal fabrique le premier transistor à jonctions mis en vente dans le commerce
1957 - 1958 Fabrication en série du transistor à effet de champ par Walmark chez R.C.A., par Tetzner chez C.G.E.
1958 Premier circuit intégré fabriqué par Kilby chez Texas Instruments
1962 Premier transistor à effet de champ à substrat de silicium
1971 Texas Instruments fabrique le premier calculateur intégré à un seul chip ou puce
1971 Intel fabrique le premier microprocesseur : le 4004
1980 Les technologies L.S.I (grande intégration) permettent l'intégration de 2 000 à 8 000 transistors par puce
1990 Les technologies V.L.S.I (très grande intégration) permettent l'intégration de 1 milliard de transistors par puce. (Les Japonais ont déjà investi 100 millions de dollars dans cette technique).
3. - LES
MACHINES NUMÉRIQUES ET L'INFORMATIQUE
Deux mille ans avant J.C., les Chinois connaissaient déjà la numération binaire.
Le boulier semble être la plus ancienne machine à calculer.
3. 1. - LES MACHINES M
ÉCANIQUESLa première machine servant à calculer est celle de Schikurt en 1623.
La première véritable calculatrice est attribuée au Français Pascal qui la construisit en 1642. Elle n'effectuait
que les additions et les soustractions et était bien entendu mécanique.En 1673, le philosophe Allemand Leibniz conçoit une calculatrice permettant d'effectuer également les multiplications et les divisions. Il faudra pourtant attendre la fin du XIXème siècle pour que soient fabriquées des calculatrices sur le modèle de celle de Leibniz ; elles seront utilisées jusqu'à la deuxième guerre mondiale.
Pourtant c'est en 1883 que l'Anglais Babbage élabore le projet d'un ordinateur à usage général, dont la structure ressemble étroitement à celle d'un ordinateur moderne. Trop en avance sur les possibilités technologiques de son époque, cette machine n'a pu concrétiser les rêves de son auteur.
On peut également citer comme exemple de réalisations utilisant le concept de mémorisation et de programme : l'orgue de barbarie qui diffuse de la musique pré-enregistrée sur papier, et le métier Jacquard qui exécute le tissage suivant un motif mémorisé dans une bande de papier perforé.
3. 2. - LES MACHINES A RELAIS - M
ÉCANOGRAPHIE ET CALCUL SCIENTIFIQUELe raisonnement logique fut étudié par le Grec Aristote 400 ans avant J.C., puis par Leibniz au XVIIème siècle. Au XVIIIème siècle, le Suisse Euler donna une illustration graphique de ce raisonnement.
Mais ce fut le philosophe et mathématicien Irlandais Georges Boole (1815 - 1864), qui, en 1854 posa les bases de la logique moderne. Il inventa un système mathématique définissant les règles du calcul numérique utilisé dans les ordinateurs (ainsi que tous les systèmes logiques).
Au XIXème siècle, De Morgan établit le théorème qui porte son nom et, constitue la base de toutes les simplifications des schémas logiques. L'algèbre de Boole n'est alors qu'une curiosité mathématique.
En 1890, l'Américain H. Hollerith développe de nouvelles machines pour le recensement de la population des États-Unis. Employé de la Computer Tabulating Recording Company devenue en 1924 I.B.M. (International Business Mecanical), il invente la carte perforée qui sera à la base de la "mécanographie" pendant la première moitié du XXème siècle.
Les calculateurs analogiques naissent sous forme expérimentale pour le calcul scientifique vers 1925 (Busch), tandis que le système binaire proposé initialement par Bacon au XVIème siècle et repris par Gray aux U.S.A, permet la création de calculateurs mécaniques (1925 - 1930).
En 1936, les Japonais Nakasima et Hanzawa, puis l'Américain Shannon en 1938, découvrent que l'algèbre de Boole peut rendre de grands services ; pour l'étude rationnelle des circuits de commutation en téléphonie automatique.
Jusqu'à la deuxième guerre mondiale, les ordinateurs demeurent mécaniques et leur développement reste lié aux applications comptables et scientifiques.
On peut citer :
en 1938 le calculateur binaire Z1 de Conrad Zuse en Allemagne.
en 1944 le calculateur MARK 1 par Howard Aiken à l'université de Harward (réalisation
I.B.M.).
Mais la guerre stimule la recherche dans le domaine des ordinateurs.
Les calculs des trajectoires des projectiles deviennent de plus en plus compliqués, au fur et à mesure que leur vitesse augmente. La guerre aérienne nécessite une grande rapidité pour effectuer ces calculs ; soit pour diriger les tirs d'artillerie, soit pour larguer les bombes à partir d'avions.
Les efforts portent sur tout ce qui est capable d'améliorer la vitesse de calcul.
Le plus puissant des ordinateurs à relais, le modèle III de Bell, utilise neuf mille relais. Il pèse 10 tonnes, effectue une multiplication en 1 seconde et une division en 2,2 secondes.
On se tourne alors vers l'électronique.
3. 3. - PREMI
ÈRE GÉNÉRATION : EMPLOI DU TUBE A VIDE (1950)En 1947, l'ordinateur de première génération ENIAC (Electronic Numerical Intégrator And Computer) de Manchly et Eckert est véritablement le premier ordinateur électronique. Il est beaucoup plus rapide que le modèle III, effectuant une multiplication en 2,8 millième de seconde environ. Il utilise 18 000 tubes électroniques, occupe 135 m², pèse 30 tonnes et consomme 150 kW.
L'ENIAC a coûté un demi million de dollars, et le prix des ordinateurs suivants sera plus élevé encore.
Appartiennent à "cette génération" : l'EDVAC (Université de Princeton) ; Le GAMMA 3 de Bull, les 603-SSEC - 702 - 650 - 704 - 709 de I.B.M. et le plus célèbre d'entre eux l'UNIVAC 1 de Remington Rand.
A la fin de la seconde guerre mondiale, les ordinateurs électroniques n'étant plus couverts par le secret militaire peuvent être commercialisés librement et bouleversent le monde industriel.
De nombreux ordinateurs (principalement en Angleterre et aux U.S.A.) sont développés. Ils utilisent des tubes électroniques et des relais.
D'autres chercheurs vont perfectionner rapidement l'ordinateur, grâce aux travaux de Von Neumann (université de Princeton).
Vers 1950, les ordinateurs évoluent et l'on commence à comparer leur mécanisme à celui du cerveau humain.
Les méthodes de codage et de décodage proposées font émerger l'une des plus importantes d'entre elles : le procédé MIC (Modulation par Impulsions Codées) ou PCM (Pulse Code Modulation), déposé par Alan Reeves en 1938.
3. 4. - DEUXI
ÈME GÉNÉRATION : EMPLOI DU TRANSISTOR (1960)En 1950, la fabrication du transistor est rendue possible grâce à de nouveaux procédés d'épuration du silicium.
Les années 60 sont celles de l'aventure spatiale ainsi que du Missile Balistique. A cette époque, la vitesse de calcul des systèmes étant suffisante, l'ennemi numéro un est le poids et les dimensions des systèmes.
On généralise l'emploi de circuits transistorisés.
Parmi les appareils de cette génération, on peut citer :
le Gamma 60 (de Bull)
le PDP1 (de Digital Équipement)
les 1401 - 1620 - 7090 (de I.B.M.)
le CAB 500 (de la S.E.A.)
3. 5. - LA TROISI
ÈME GÉNÉRATION : L'EMPLOI DES CIRCUITS INTÉGRÉSAfin de gagner encore du poids, on cherche à mettre plusieurs éléments dans un même boîtier. Ainsi naît le premier circuit intégré qui contient quatre transistors et deux résistances sur une pastille unique de semi-conducteur.
En 1964, I.B.M. lance le premier ordinateur utilisant des circuits intégrés.
Les ordinateurs de la 3ème génération deviennent de plus en plus rapides et compacts.
3. 6. - QUATRI
Grâce aux microcircuits, l'ordinateur devient mini ordinateur, puis, avec l'emploi de circuits intégrés comportant encore un nombre plus élevé de transistors, micro-ordinateur (plus de 10 000 transistors dans un même boîtier).
Un micro-ordinateur moderne possède sous le volume d'un téléviseur la même puissance (environ 110 à 150 Watts).
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