Les transistors : Comment les transistors ont-ils révolutionné le monde informatique ?

Les transistors :
Comment les transistors ont-ils révolutionné le
monde informatique ?
Le transistor est une des inventions majeures de la
seconde moitié du XXe siècle et il est à l’origine de
l’essor des ordinateurs
Guipaud Albin
Roiron Yohann
2010-2011
Les transistors :
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Les transistors :
Sommaire
INTRODUCTION : ---------------------------------------------------------------------------------------------------- 4
1.0 L’ALGEBRE DE BOOLE :----------------------------------------------------------------------------------------- 5
1.1 QUI ETAIT BOOLE ? ------------------------------------------------------------------------------------------------ 5
1.2 PRINCIPE ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- 5
1.2.1 L’opération NON : ------------------------------------------------------------------------------------------------- 6
1.2.2 L’opération OU : --------------------------------------------------------------------------------------------------- 6
1.2.3 L’opération ET : ---------------------------------------------------------------------------------------------------- 7
Les opérations non fondamentales : --------------------------------------------------------------------------------- 7
1.3 UN EXEMPLE : ------------------------------------------------------------------------------------------------------8
TABLEAU DE KARNAUGH ----------------------------------------------------------------------------------------------8
2.0 LES TUBES A VIDE -----------------------------------------------------------------------------------------------9
2.1 HISTOIRE -----------------------------------------------------------------------------------------------------------9
2.2 PRINCIPE -----------------------------------------------------------------------------------------------------------9
3.0 LES TRANSISTORS --------------------------------------------------------------------------------------------- 10
3.1 PRINCIPE : --------------------------------------------------------------------------------------------------------- 10
3.1.1 Les semis conducteurs ------------------------------------------------------------------------------------------- 10
3.1.2 Le dopage -----------------------------------------------------------------------------------------------------------11
3.1.3 Diode---------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 12
3.2 LE FONCTIONNEMENT DU TRANSISTOR ------------------------------------------------------------------------- 13
3.2.1 Un transistor bipolaire ------------------------------------------------------------------------------------------ 14
3.3 LES CIRCUITS ELECTRONIQUES : LE CAS DES PORTES LOGIQUES------------------------------------------------- 15
3.4 LOI DE MOORE --------------------------------------------------------------------------------------------------- 17
CONCLUSION --------------------------------------------------------------------------------------------------------19
REMERCIEMENTS -------------------------------------------------------------------------------------------------- 20
SITOGRAPHIE : ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 21
ANNEXE, UTILISATION DE KARNAUGH --------------------------------------------------------------------- 22
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Les transistors :
Introduction :
Le fonctionnement des ordinateurs d’aujourd’hui est basé sur l’utilisation d’éléments simples,
ne pouvant adopter que deux états : ouvert ou fermé, vrai ou faux, conducteur ou isolant,
0 ou 1.
George Boole a créé, en 1854, une algèbre dite binaire (reposant sur deux états), permettant la
réalisation de calculs avec ces éléments binaires.
La complexité des calculs réalisables et la puissance de la machine ne dépend que des nombres
d‘éléments que l’on peut disposer dans un volume donné.
Ces éléments binaires peuvent être réalisés grâces à plusieurs technologies : hydraulique,
mécanique, électronique…
Mais c’est l’électronique qui sera utilisé, pour diverses raisons, dont notamment sa petite taille.
La création des transistors est due à une accumulation de découvertes
pour la plupart effectuées par les Américains. En effet, le premier
amplificateur fut créé en 1906 par Lee de Forest, qui améliorera sa
création en 1908 en créant la première triode.
Sa création fut à la pointe de la technologie jusqu'en 1920 où les
Américains brevetèrent le premier tube à vide qui a permis la création
d'hyperfréquences.
Première triode
Mais ce n'est qu'en 1947 grâce aux avancées scientifiques et
notamment grâce à une meilleure compréhension de la mécanique
quantique, que l’on assiste à une rupture technologique, avec la
découverte des transistors constitués de semi-conducteurs. Et enfin,
c'est en 1952 qu'apparaissent les premiers appareils avec des transistors.
En 1956, John Bardeen, William Shockley et Walter Brattain reçurent
le prix Nobel de physique pour leur invention du transistor.
Pour une meilleure compréhension, avant d’arriver au transistor lui-même et à son
fonctionnement nous aborderons l’algèbre de Boole, puis nous parlerons des tubes
électroniques qui ont précédés les transistors dans d’énormes ordinateurs.
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Les transistors :
1.0 L’algèbre de Boole :
1.1 Qui était Boole ?
George Boole est un logicien, mathématicien et philosophe britannique. Toute sa vie il a
cherché à améliorer le monde de la physique : en 1844, après la publication d'un mémoire
d'analyse dans les Philosophical Transactions, la Royal Society lui décerne une médaille.
En 1854, Boole développe une nouvelle forme de logique, à la fois symbolique et mathématique
permettant de traduire des idées et des concepts en équations, de leur appliquer certaines lois
et de retraduire le résultat en termes logiques. Pour cela, il créa une algèbre binaire n'acceptant
que deux valeurs numériques : 0 et 1. Cette algèbre est définie par la donnée d'un ensemble E
(non vide) muni de deux lois de composition interne le ET et le OU. Le NON n’apparaîtra que
quelques années plus tard.
.
1.2 Principe
L’algèbre de Boole se base sur des fonctions logiques dites combinatoires. Cette algèbre analyse
et agit en fonction des différentes entrées. Il n’y a, ici, aucune influence de l’horloge,
contrairement aux systèmes dits séquentiels.
Les fonctions logiques combinatoires sont la base de l’informatique et de l’électronique
moderne, et sont principalement utilisées sous forme de porte logique regroupant un
ensemble de transistors.
Les opérations fondamentales sont au nombre de 3 : ET, OU, NON.
Ces opérations sont représentables par un tableau de vérité montrant l’état de la ou des sorties
en fonction de la valeur des entrées
L’exemple ci-dessous montre un traitement par l’algèbre de Boole sur deux ensembles A et
B:
Ensemble A
Ensemble B
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Les transistors :
L’opération la plus simple est :
1.2.1 L’opération NON :
Aussi appelé opération inverse
Noté /a pour une variable a
Sa table de vérité est :
Entré (a)
Faux
Vrai
Sortie (s)
vrai
faux
Soit pour un ensemble A et B
Ensemble Non B
Ensemble Non A
1.2.2 L’opération OU :
Noté A+B pour deux variables A et B, soit l’un ou l’autre, c’est un « ou inclusif ».
Sa table de vérité est :
Valeur de A
Vrai
Faux
Vrai
Faux
Valeur de B
Vrai
Vrai
Faux
Faux
Résultat
Vrai
Vrai
Vrai
Faux
Tableau de vérité de la fonction OU. Si l’une des deux fonctions est vraie, la sortie S est vraie.
Soit pour nos ensembles A et B
6
Les transistors :
1.2.3 L’opération ET :
Noté A.B pour deux variables A et B c’est donc l’un ET l’autre
Sa table de vérité est :
Valeur de A
Vrai
Faux
Vrai
Faux
Valeur de B
Vrai
Vrai
Faux
Faux
Résultat
vrai
faux
faux
faux
Soit pour nos ensemble A et B cela donne :
Opération Et
Les opérations non fondamentales :
D’autres opérations existent, mais elles dépendent des fonctions de base, les principales étant :
 Nor (ni l’un ni l’autre)
 Xor (l’un ou l’autre)
 Nand (Pas les deux)
 NXor (les deux ou aucun des deux), ou équivalence
 Implication (non A ou B)
La fonction NOR, par exemple, représentée par le symbole signifie NON OU :
Autrement dit ni l’un ni l’autre. C’est donc l’inverse de OU si l’on traite d’un ensemble.
Voici l’équivalent dans les fonctions logiques de base.
(Inverse de A et inverse de B)
Voici sa table de vérité
Valeur de A
Vrai
Vrai
Faux
Faux
Valeur de B
Vrai
Faux
Vrai
Faux
Résultat
faux
faux
faux
Vrai
Ces règles sont dites absolues et définissent l’algèbre de Boole.
L’un des intérêts de cette algèbre est de permettre les calculs propositionnels aussi appelés
calculs de logique formelle, et entre autres de résoudre des exercices avec un tableau de
vérités.
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Les transistors :
1.3 Un exemple :
Brown, Jones et Smith sont poursuivis pour fraude fiscale, et prêtent serment de la manière
suivante :
1) BROWN : Jones est coupable et Smith est innocent
2) JONES : si Brown est coupable, alors Smith aussi
3) SMITH : dit « je suis innocent, mais au moins l'un des deux autres est coupable »
Partons du point de principe que les trois disent la vérité. (4e équation, appelée E)
Résolution par l'algèbre de Boole
1=innocent 0=coupable
Serment de Brown: non J et S soit /J.S
Serment de Jones : B ou non S soit B+/S (on utilise ici une propriété déduite l’implication:
A=>B se traduit par /B ou A)
Serment de Smith : S et (non B ou non J) soit S. (/B+/J)
Condition principale : E= serment de B et serment de J et serment de S soit (J.S). (B+S). (S.
(B+J))
Voici la table de vérité du problème, les 3 premières colonnes représentent tous les cas
possibles, les 4 suivantes le résultat grâces aux différentes équations
S
B
J
J.S
B+S
S. (B+J)
E
0
0
0
0
1
0
0
0
1
1
0
1
0
0
0
0
1
0
1
0
0
0
1
0
0
1
0
0
1
0
0
1
0
1
0
1
1
1
0
1
0
0
1
0
1
0
0
1
0
1
1
0
1
1
1
1
Nous remarquons que la condition principale (les trois autres sont vraies, équation E) est vraie
pour S=1, B=1 et J=0
Donc Smith et Brown sont innocents et Jones est coupable.
Tableau de Karnaugh
En 1953 l’ingénieur en télécommunication du laboratoire Bell, Maurice Karnaugh créa un
système qui permis de réduire des équations trop longues afin d’y voir plus clair.
Le tableau de Karnaugh raisonne sur les lois de Boole, mais n’utilise que les opérations simples
(et, ou, non) son tableau réside sur une logique binaire. Il permet de simplifier les équations en
somme de condition de la forme : a.c.d+a.e.c
Voir l’annexe 1, pour un exemple
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Les transistors :
2.0 Les tubes à vide
2.1 Histoire
Les amplificateurs à base de transistors n'ont été utilisés qu'en 1970, à partir du moment où
l’on a amplifié un signal correctement. Leurs avantages sont énormes par rapport aux tubes,
précédemment utilisés : solidité (pas de tube de verre), faible coût (fondre du verre sous vide
coûte cher) et surtout petite taille.
Mais les technologies nécessaires à la fabrication de transistors n’ont été découvertes que dans
les années 40, après la guerre. Auparavant l’utilisation des tubes était la seule possibilité, mais
elle était beaucoup plus complexe. En effet si le but des transistors et des tubes à vide est le
même, le principe de transfert des électrons est totalement différent.
2.2 Principe
Les tubes à vide sont basés sur le principe Edison : un filament chauffé dans le vide émet des
électrons si il la différence de potentiel est suffisante.
Un tube à vide est constitué :
 D’une enveloppe souvent en verre capable d’isoler l’ensemble de l’extérieur, cette
enveloppe, souvent en verre, est résistante au vide et à la température.
 De 3 électrodes
o Une Cathode, source d’électrons : potentiel souvent de 0 V , inférieur à celui de
l’anode
o Une Grille
o Une Anode, ayant un potentiel supérieur à celui de la Cathode
Le fonctionnement est moins complexe que
celui des transistors :
La cathode chauffée par un filament permet
d’augmenter l’agitation thermique et de
libérer les électrons qui rejoignent un
« nuage électronique » dans le vide entourant
la cathode et appelé charge d'espace.
En jouant sur le potentiel de la grille par
rapport à la cathode, un nombre plus ou
moins grand d'électrons émis par la cathode
arriveront jusqu'à l'anode, Cela permet de
créer un courant entre anode et cathode :
l'amplification de puissance est réalisée ainsi.
Les tubes à vide, ont été utilisés notamment par les Anglais durant la Seconde Guerre
mondiale (pour les radars et les premières radios), mais ils étaient très encombrants et très
fragiles. Il a donc fallu trouver une nouvelle technologie pour les remplacer.
Pourtant ils auront permis de développer considérablement la communication ou
l’électronique comme les émissions de radio par la meilleure amplification des signaux, et de
montrer au monde les énormes progrès que l’homme peut accomplir grâce à l’électronique,
cette technologie a permis le développement des transistors et son subventionnement.
9
Les transistors :
3.0 Les Transistors
Le mot transistor signifie transfert résistor, il fut choisi en 1948.
Les transistors, comme présentés ci-dessous, sont souvent associés, car si seuls, ils peuvent
amplifier un petit signal ou servir de commutateurs numériques, leur utilisation unitaire est
très vite limitée.
Les transistors sont utilisés principalement pour deux de leurs fonctions :
 l’amplification d’un signal, dans les radios notamment
 leur fonction logique : aptitude à laisser passer ou bloquer un courant suivant sa
valeur.
Les circuits imprimés qui contiennent des transistors sont partout autour de nous, de la
montre aux détecteurs de présence, en passant par toute l’électronique comme celle d’un lavevaisselle et bien sûr dans les téléphones et les ordinateurs. Le nombre de transistors dans un
ordinateur est vertigineux de l’ordre du milliard, leur taille tendant actuellement vers la
trentaine de nanomètres.
3.1 Principe :
3.1.1 Les semis conducteurs
Afin de créer des transistors, l’homme a dû utiliser des matériaux appelés semi-conducteurs,
justement découvert un peu avant, en 1947. Ce sont des matériaux capables, dans des
conditions précises, de contrôler le courant. Ils peuvent faire passer le courant comme les
métaux ou le bloquer comme les isolants.
Un isolant est un matériel dans lequel il n’y pas ou très peu d’électrons libres, où tous les
électrons sont solidement attachés au noyau, contrairement aux matériaux dits conducteurs
qui disposent sur leur couche externe d’électrons faiblement liés au noyau aussi appelés
électrons libres.
L’unité de résistance s’exprime en Ω.m-1 (Ohm par Mètre).
Quelques exemples :
De matériaux très isolants :
 Le diamant pur : 1.1012 Ω.m-1
 Le mica : entre 1.1010 et 1.1015 Ω.m-1
De très bons conducteurs :
 Le cuivre: 1,7.10-8 Ω.m-1
 L’argent : 1,6.10-8 Ω.m-1
 L’aluminium : 2,8.10-8 Ω.m-1
Les semis conducteurs comme le silicium (étudié ici) et le germanium ont une résistance
intermédiaire :
 Le Silicium à 300°K 2400 Ω.m-1
 Le Germanium à 300°K 0,5 Ω.m-1
(Ces trois catégories sont dues à des franges passantes dans les matériaux mais cela étant à un
niveau supérieur au notre nous n’en parlerons pas ici.)
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Les transistors :
La structure du silicium étant entre les deux et permet donc facilement de le faire passer dans
un des deux camps.
3.1.2 Le dopage
Le dopage consiste à insérer des impuretés dans le silicium, pour modifier son état.
Voici l’état du silicium non dopé :
On remarque que les 4 électrons sur
leur couche externe forment des
liaisons covalentes.
L’ajout d’impureté ayant 3 ou 5
électrons sur sa couche externe
permet de modifier cet état et
transformer le silicium en matériau
ayant trop (5 électrons -> type
N=négatif) ou trop peu d’électrons (3
-> type P=Positif)
Un dopage de type P créant un déficit d’électrons, (aussi appelé trou) aura tendance à attirer
les électrons. Pour réaliser ce dopage, il faut remplacer un atome de Silicium par un élément
ayant 3 électrons sur sa couche externe. Dans le tableau périodique des éléments, on utilise la
colonne du Bore :
11
Les transistors :
Par opposition, les zones de silicium dopées N ont trop d’électrons comme ici :
Le phosphore ayant 5 électrons sur sa couche externe, conduira à un surplus d’électrons.
Aussi appelés électrons de valence, ces électrons en plus ou en moins modifient la résistance
électrique du matériau. Et dans le cas d’un semi- conducteur, ils permettent s’ils sont bien
raccordés (liaison P-N) de faire passer le courant :
Les semi-conducteurs sont utilisés en électronique pour réaliser des composants tels que des
diodes, des transistors ainsi que des lasers.
3.1.3 Diode
Une diode est constituée comme on le voit ci-dessous, de deux zones, une Zone P et une zone
N et d’une seule jonction PN (à la différence des transistors qui en ont deux).
Lié aux propriétés des semi-conducteurs, la diode ne laisse passer le courant que dans un seul
sens
12
Les transistors :
3.2 Le Fonctionnement du transistor
Le transistor est la brique avec laquelle sont construits les circuits électroniques, tels les microprocesseurs. La technologie actuellement utilisée pour fabriquer les transistors est la
technologie MOS (Metal-Oxide-Semiconductor).
Il existe deux types de transistors MOS : les transistors de type N (constitué de 3 zones, PNP) et
les transistors de type P(NPN). Les micros-processeurs actuels utilisent des transistors des
deux types. On parle alors de technologie CMOS (Complementary Metal-OxideSemiconductor).
Un transistor comporte 3 pattes : drain, grille et source, sur les transistors à effet de champ ou,
base, émetteur, collecteur, sur les transistors bipolaires que nous allons particulièrement
étudier dans ce qui suit.
Le transistor bipolaire ou à effet de champ peut jouer le rôle d’un interrupteur entre l’émetteur
et le collecteur, commandé par la base.
Pour simplifier, en électronique, on a pour habitude de schématiser en utilisant des analogies
hydrauliques : voici un exemple pour le transistor.
Base
Émetteur
Collecteur
S’il y a du courant dans la base, cela ouvre la communication, émetteur/collecteur.
C’est le principe du transistor.
13
Les transistors :
3.2.1 Un transistor bipolaire est un composant à semi-conducteur constitué de 2 jonctions
PN, très proches l'une de l'autre.
Une diode ordinaire étant elle-même constituée d'une unique jonction P-N, on pourrait dire
qu'un transistor contient 2 diodes.
Un transistor est formé de 3 zones (N-P-N ou P-N-P selon son type), tel qu'illustré sur le dessin
ci-dessous.
Chaque "zone" est reliée à une électrode: base (B), émetteur (E), collecteur (C).
De plus, la base est très étroite, de l’ordre de 1/10 par rapport au reste.
Schématiquement, une jonction PN, telle une diode, fonctionne comme suit:
Si elle n'est soumise à aucune tension extérieure, les électrons (charges négatives) sont
majoritaires dans la zone N, les "trous" (charges positives) sont majoritaires dans la zone P et
entre les deux, on trouve une zone "neutre", désertée.
Appliquons maintenant une tension inverse (négatif sur l’anode, positif sur la cathode): on
augmente le champ électrique de la zone centrale, ce qui a pour effet de repousser encore plus
loin les électrons de la zone N et les "trous" de la zone P.
Conséquence: la zone "neutre" s'élargit, la diode est bloquée, ou non passante.
Si maintenant, on inverse la polarité de la tension aux bornes de la jonction, c'est-à-dire si on
lui applique une tension directe (positif sur l’anode, négatif sur la cathode) on annule le champ
électrique de la zone centrale ("neutre"), ce qui provoque le déplacement des charges négatives
de la zone N vers les "trous" de la zone P:
Il y a donc circulation d'un courant électrique et la diode devient passante.
C’est le même principe pour les deux jonctions du transistor, ici un NPN :
14
Les transistors :
La jonction E-B est polarisée dans le sens passant, mais la jonction B-C, polarisée en inverse,
est bloquée. Il circule donc un courant de E à B, appelons-le iB1. La base, est une zone très
étroite et les électrons qui arrivent de l'émetteur vont, pour certains se combiner avec les
"trous" (peu nombreux) de la base. Mais ils seront en majorités fortement attirés vers la zone
du collecteur par le champ électrique créé par la polarisation inverse de la jonction B-C: il en
résulte, sous l'effet d'avalanche, un important courant de collecteur, I B2. C'est ce qu'on appelle
l'effet transistor.
Ces transistors sont dits bipolaires, car les courants du composant sont véhiculés par deux
vecteurs : les électrons et les trous.
3.3 Les circuits électroniques : le cas des portes logiques
Connaissant le principe des transistors, nous allons étudier les circuits électroniques et
notamment les portes logiques , une application directe de l’algèbre de Boole., vu
précédemment.
Selon Wikipédia :
UN CIRCUIT ELECTRONIQUE EST UN ENSEMBLE DE COMPOSANTS ELECTRONIQUES INTERCONNECTES SOUVENT A
L ' AIDE D ' UN CIRCUIT IMPRIME ET DONT LE BUT EST DE REMPLIR UNE FONCTION . C' EST POUR CELA QU ' UN CIRCUIT
ELECTRONIQUE EST SOUVENT CONSIDERE COMME UNE BOITE NOIRE COMPORTANT :
 UNE ENTRÉE POUR L 'ALIMENTATION ,
 UNE OU PLUSIEURS ENTRÉES,
 UNE OU PLUSIEURS SORTIES .
S OUVENT, UN CIRCUIT ELECTRONIQUE EST CONNECTE A DES DISPOSITIFS ELECTROMECANIQUES AFIN DE
MATERIALISER LE TRAITEMENT ELECTRONIQUE (EX : UN MOTEUR ). L ES COMPOSANTS D ’ UN CIRCUIT ELECTRONIQUE
SONT ESSENTIELLEMENT ASSEMBLES SUR UN SUPPORT ISOLANT (BAKELITE ) COMPORTANT DES PISTES
CONDUCTRICES (EN CUIVRE ) ET DES CONNECTEURS , LE CIRCUIT IMPRIME , ET/OU ALORS REGROUPES DANS DE
PETITES OU GROSSES PUCES : LES CIRCUITS INTEGRES .
EN INFORMATIQUES, LES PRINCIPAUX CIRCUITS SONT :

LES PORTES LOGIQUES

LES OPERATEURS LOGIQUES (ASSEMBLAGE DE PORTES LOGIQUES)

MODULE ADDITIONNEUR

MODULE SOUSTRACTEUR

MODULE COMPTEUR

LA MÉMOIRE

LES PROCESSEURS
15
Les transistors :
Notre TPE portera sur 3 portes logiques différentes :
 Des portes And
 Des portes Or
 Des portes Not
Ces portes sont construites sur le même modèle :
14 pins :
 2 pins d’alimentations
 12 pins : utilisés comme suit pour la porte or :
o 4 portes
o 2 entrées
o 1 sortie à chaque fois
En voici le schéma.
Ces trois portes permettent de recréer toute fonction logique qui existe.
Les circuits que nous serrons amené à réaliser seront basés sur deux portes, leur utilisation est
très simple. Une fois branchée les deux entrées sont branchées sur XA et XB, pour une sortie
en XY, où X est le numéro de la porte, ici comprit entre 1 et 4.
Une résistance de pull-down est ajoutée pour mettre de bien voir les valeurs.
Pour voir les valeurs nous utiliserons des leds monté en dérivation de l’entrée ou de la sortie.
L’un de ces circuits sera normalement présenté à l’oral.
16
Les transistors :
3.4 Loi de Moore
Cette loi, « le nombre de transistors dans un circuit imprimé doublera tous les dix-huit mois »
est une phrase prononcée par Gordon Moore, un des fondateurs d’Intel en 1965 dans
électronique magazine. Cette « loi » est en réalité une extrapolation empirique (basée sur un
constat). Elle a, jusqu’à maintenant, toujours été vérifiée.
Ce tableau montre la quantité de transistors dans les microprocesseurs au cours du temps
Date
Nom
Nombre detransistors
Finesse de gravure (µm)
1971
1974
1979
1982
1985
1989
1993
1997
1999
2000
2004
2006
2007
2008
2008
2008
2009
2010
4004
8080
8088
80286
80386
80486
Pentium
Pentium II
Pentium III
Pentium 4
Pentium 4D « Prescott »
Core 2™ Duo
Core 2™ Quad
Core 2™ Duo (Penryn)
Core 2™ Quad (Penryn)
Intel Core i7 (Nehalem)
Intel Core i5/i7 (Lynnfield)
Intel Core i7 (Gulftown)
2 300
6 000
29 000
134 000
275 000
1 200 000
3 100 000
7 500 000
9 500 000
42 000 000
125 000 000
291 000 000
2*291 000 000
410 000 000
2*410 000 000
731 000 000
774 000 000
1 170 000 000
6
3
1,5
1,5
1
0,8 à 0,28
0,35 à 0,25
0,25 à 0,13
0,18 à 0,065
0,09 à 0,065
0,065
0,065
0,045
0,045
0,045 (2008)
0,032 (2009)
0,045
0,032
17
Les transistors :
On peut noter que la courbe établie à partir des données de ce tableau et la courbe
représentant la loi de Moore montrent une certaine similitude depuis les années 70.
Les transistors se miniaturisent au fur et à mesure des années, la taille des circuits
n’augmente que peu et son augmentation est plus due à la surface d’échange de chaleur qu’à
son nombre de transistors. Ce n'est qu'en 1971 qu'une réelle miniaturisation a pu être réalisée
avec création de circuits imprimés : auparavant il fallait plusieurs circuits pour réaliser une
seule fonction logique. Alors que cela n’occupe que quelques µm² aujourd’hui.
.
Toutefois, il semble que l’application de la loi de Moore approche de son terme, certains
montrent déjà une inflexion depuis 2005, et prédisent les limites de la miniaturisation pour
2015/2020
La limite de la miniaturisation a pour origine la taille des composants qui tend vers la dizaine
de distances interatomiques, domaine où les lois de la physique changent totalement aussi
bien pour les phénomènes d’utilisations que pour les techniques de fabrication.
18
Les transistors :
Conclusion
Les transistors ont révolutionné le monde de l’électronique en général et en particulier le
monde informatique. Depuis leur création, l’homme ne cherche qu’à les améliorer, voire les
remplacer par des technologies différentes comme les graphènes (couche d’une molécule de
carbone ayant des propriétés de semi-conducteurs).
Ils occupent une place de plus en plus importante dans l’électronique grand public (dans un
portable le nombre de transistors est compté en centaines de millions), mais aussi pour des
projets scientifiques, comme Deep Blue (l’ordinateur d’IBM ayant battu le meilleur joueur
d’échec au monde) ou les synchrotrons. Tous ces projets dépendent des ordinateurs et donc
des transistors.
La miniaturisation de ceux-ci permet d’augmenter la quantité de transistors et donc la
puissance de calcul. Mais cela augmente aussi l’effet joule (échauffement lors du passage d’un
courant) ce qui devient problématique. D’autres solutions pour accélérer les calculs existent
comme l’augmentation des fréquences de commutations des transistors, mais cela entraine
aussi des échauffements et des hyperfréquences qui peuvent conduire à d’autres problèmes.
Une autre solution serait d’utiliser des semi-conducteurs supraconducteurs : soit en abaissant
la température, soit en trouvant de nouveaux matériaux. Toutes ces possibilités d’évolutions
montrent bien que si les transistors ont été des innovations majeures du dernier siècle, ils
peuvent encore évoluer.
Toutefois, il ne s’agit là que d’améliorations qui vont atteindre leurs limites de miniaturisation
en se rapprochant de l’échelle du domaine quantique, où les lois de la physique traditionnelle
ne sont plus applicables.
De plus, l’informatique actuelle repose sur le mariage de l’algèbre de Boole et d’interrupteurs
perfectionnés.
Les progrès dans la compréhension du cerveau humain, avec notamment les réseaux de
neurones, montrent que pour la logique et les calculs, ce n’est pas la seule voie possible.
Il est possible que dans les prochaines années, une nouvelle rupture technique remette en
cause aussi bien l’algèbre de Boole que les transistors, et permette un nouvelles essor des
puissances de calculs, toujours plus grandes, et répondant à une nouvelle loi de Moore
Cette rupture technologique sera nécessaire pour créer des intelligences artificielles dignes de
ce nom. Un cerveau de souris est, pour le moment, plus puissant que les plus grands
supercalculateurs du monde, consommant des quantités d’énergie énormes….
19
Les transistors :
Remerciements
En adressant mes remerciements à:
 Mr Cichowlas
 Mme Guérin
 Mme Deprez
Pour leur aide tout au long de l’année
Ainsi que :
 Roiron Jean-Pierre et Régine
 Antoine Crouet(TL2)
 Et bien d’autres
Pour la relecture.
20
Les transistors :
Sitographie :
Voici les sites utilisés








http://www.elecinfo.fr/informatique/evolution.html
http://www.liafa.jussieu.fr/~carton/Enseignement/Architecture/Cours/Gates/
http://www.techno-science.net/?onglet=glossaire&definition=4560
www.montefiore.ulg.ac.be/~vdh/supports-elen0075-1/notes-chap3.pdf (Université de
Lièges)
www.lmi17.cnam.fr/~anceau/Documents/Rumelhard.pdf (Conservatoire National des
arts et métiers)
http://subaru2.univ-lemans.fr/enseignements/physique/02/electro/portes.html
(Université le Mans)
http://fr.wikipedia.org/wiki/Dopage_(semi-conducteur)
http://fr.wikipedia.org/wiki/Transistor
Livre utilisé :
Algorithmique
Cours complet, exercice et problèmes résolus, travaux pratiques de Michel Quercia aux éditions
Vuibert
Publié sous licence CC : BY-SA-NO
21
Les transistors :
Annexe, Utilisation de Karnaugh
Prenons un calcul avec 4 variables, dont voici l’expression :
a.b.c+d.c.a+b.d+c.b+a.b
Le tableaux de Karnaugh permettent en quelques étapes rapides, de simplifier cette équation.
1ere étape : dresser le tableau
Pour deux variables, un tableau de Karnaugh peut se représenter sous les formes suivantes :
Un tableau de Karnaugh nous renseigne donc sur les données suivantes :




Le nom de la fonction (par ex : X),
Le nom des variables (a, b),(pour un cas a deux variables)
L'état des variables : 0, 1 ou une barre représentant l'état 1,
La valeur de la fonction (1 ou 0).
On note que :
Dans la case 1 les variables valent toutes 0.
22
Les transistors :
Et pour 4 variables le tableau est le suivant :
X
a.b
00
01
11
10
c.d
00
Case1
5
9
13
01
2
6
10
14
11
3
7
11
15
10
4
8
12
16
Tableau de Karnaugh pour 4 variables.
A chaque case est associé un quadruplet des valeurs a, b, c, d.
Exemples :
De droite à gauche et de haut en bas
 La case n° 4 représentera le quadruplet {1,0,0,0} ou a = 1, b = 0, c = 0 et d = 0 (a . b . c . d ).
 La case n° 11 représentera le quadruplet {1,1,1,1} ou a = 1, b = 1, c = 1 et d = 1 (a . b . c . d ).
 La case n° 16 représentera le quadruplet {1,0,1,0} ou a = 1, b = 0, c = 1 et d = 0 (a . b . c . d ).
Partons d’un exemple : soit une fonction booléenne définie par :
a.b.c+d.c.a+b.d+c.b+a.b = E
Tableau correspondant :
E
a.b
00
01
11
10
00
01
11
10
c.d
Étape 2 remplir le tableau
Pour chaque case on regarde si la condition principale est vraie.
Par exemple pour la case 1 : a=0 ;b=0 ;c=0 ;d=0 ;
L’équation a.b.c+d.c.a+b.d+c.b+a.b = E est faux, car toutes les variables sont égales a 0
Pour la case 3 a=1 ;b=1 ;c=0 ;d=0 dans l’équation on a « a.b » donc pour l’algèbre booléenne E=1
On recommence pour toutes les cases et l’on met 1 pour vrai et 0 pour faux en utilisant le
tableau suivant.
X
c.d
a.b
00
01
11
10
00
0
0
0
0
01
0
1
1
1
11
1
1
1
1
10
0
0
1
0
23
Les transistors :
Étape 3 repérer les groupes de 1.
Une fois le tableau rempli, on repère les groupes de 1 et on les rassemble par paquet de
puissance de deux (2, 4, 8 …) sans oublier que le tableau est sphérique : haut et bas peuvent
être groupés ainsi que gauche et droite.
Les paquets doivent être les plus gros possible, et êtres rectangulaires, les 1 peuvent être
utilisées plusieurs fois, les groupes ne doivent pas regrouper de 0 et surtout tous les 1 doivent
être utilisés.
Par exemple
Les 1 sont groupés par 4 ou 2
Pour notre exemple, les groupes sont :
X
00
01
11
10
c.d
00
0
0
0
0
01
0
1
1
1
X
c.d
X
a.b
11
1
1
1
1
10
0
0
1
0
00
01
11
10
00
0
0
0
0
01
0
1
1
1
00
01
11
10
c.d
a.b
a.b
00
0
0
0
0
01
0
1
1
1
X
11
1
1
1
1
10
0
0
1
0
c.d
11
1
1
1
1
10
0
0
1
0
11
1
1
1
1
10
0
0
1
0
a.b
00
01
11
10
00
0
0
0
0
01
0
1
1
1
Étape 4 repérer les termes qui sont constants.
Les termes constants sont les termes de chaque groupe de 1 (c'est-à-dire ne passent pas de 1 à 0
ou de 0 à 1.
Pour le groupe vert c’est a et b qui ne varient pas, on a donc a.b
Pour le groupe rouge c’est a,d et c qui ne varient pas, on a donc a.d.c
Pour le groupe marron c’est d et c qui ne varient pas, on a donc b.d
Pour le groupe bleu c’est a, c et d qui ne varient pas, on a donc a.c.d
Ensuite on ajoute les calculs par un « ou »
Ce qui donne l’équation simplifier a.b + a.d.c + d.b + a.c.d,
Donc on peut dire que a.b.c + d.c.a + b.d + c.b + a.b = a.c + b.c + a.b + a.c.d =
a.b.c+d.c.a+b.d+c.b+a.b
24