QUELQUES RÉFLEXIONS SUR
L'ENSEIGNEMENT DE L’ÉLECTRONIQUE
Thierry MAURIN
Cet article propose quelques réflexions issues d'expériences, de discussions et d'avis pris aussi bien auprès de collègues enseignants qu'auprès d'indus-triels. Il fait suite à une présentation faite dans le cadre du séminaire de di-dactique de la technologie du LIREST. Il n'a pas la prétention de répondre à toutes les interrogations mais plutôt de réfléchir aux difficultés rencontrées et peut-être de permettre de les mieux cerner.
1. ÉLECTRONIQUE ?
La première question à se poser est bien évidemment de savoir ce que l'on cache sous le terme d'électronique.
1.1. La diversité
Première trivialité : l'électronique recouvre, soit directement, soit au travers de ses applications, des domaines d'une très grande diversité. Cela va de la Télévision numérique Haute Définition, à l'automobile, en passant par les radars, les appareils photographiques, les micro-ordinateurs, les automates programmables ou le Minitel. Cela inclut la théorie des bandes, la cristallo-graphie, les matériaux semi-conducteurs, les dispositifs AsGa (Arsenic Gallium) ou CMOS (Complementary Metal Oxyde Semiconductor). Cela recouvre les grandes fonctions comme l'amplification, le filtrage, la modu-lation. Cela fait appel à des domaines comme l'automatique, le traitement du signal, l'informatique.... En bref, l'électronique est partout, de la machine à laver intelligente au satellite de télécommunication, de l'électronique grand public à l'instrumentation, des détecteurs de particules des
expérien-ces du CERN (Centre Européen de Recherche Nucléaire) à la physique du solide.
Cette très grande diversité montre qu'il est illusoire de vouloir définir une électronique, et par conséquent illusoire de vouloir proposer un enseigne-ment d'électronique. L'électronique n'est plus une "matière" si tant est qu'elle l'ait été un jour. On peut malgré tout distinguer entre les aspects fon-damentaux et théoriques (Sciences Fondamentale, SF) et les aspects prati-ques et applicatifs (Sciences pour l'Ingénieur, SPI). Cette distinction n'est pas sans conséquence sur l'enseignement. Elle pose en particulier la ques-tion de savoir quelle part de SF doit contenir un enseignement de SPI et ré-ciproquement. Ainsi : est -il nécessaire de connaître la théorie de la jonction PN pour concevoir un circuit intégré ? On ne peut tenter de répondre à ce type de question sans avoir précisé l'objectif : enseigner l'électronique pour-quoi faire ? question souvent complétée par : à quel niveau l'enseigner? Là encore, la question n'est pas innocente, notre système éducatif est fait, très schématiquement, pour associer l'enseignement du conceptuel au haut de la hiérarchie et l'enseignement pratique ou de réalisation au bas de cette même hiérarchie.
1.2. L'explosion technologique
Seconde trivialité : l'extraordinaire diversité de ce que l'on appelle encore de manière générique l'électronique, n'est en fait que la conséquence de l'ex-plosion technologique de ces dernières années. Du point de vue SF, pas de bouleversement de fond depuis l'aventure du Silicium et du transistor. Par contre, du point de vue SPI il s'agit bien d'une révolution. Les performances technologiques en termes de capacité de traitement, de rapidité, de coût, etc... ont rendu possible la réalisation de systèmes dont la complexité était antérieurement hors d'atteinte. C'est la technologie électronique qui est la cause directe du développement de secteurs appliqués comme les télécom-munications, le traitement des images, ou la cause des progrès de secteurs plus fondamentaux comme l'astrophysique ou la physique nucléaire. En fait, cette explosion technologique a eu pour conséquence l'essaimage de l'élec-tronique dans de très nombreux secteurs, essaimage qui tend à vider de sa substance l'électronique SPI en tant que telle pour voir finalement apparaître des électroniques liées aux champs disciplinaires où elles se sont dévelop-pées. On peut ainsi proposer plusieurs grands secteurs comme : Électroni-que et AutomatiÉlectroni-que, ÉlectroniÉlectroni-que et Traitement du signal, ÉlectroniÉlectroni-que et Informatique, ou bien Électronique et Instrumentation, Électronique et Électrotechnique, Électronique et Robotique, Électronique et Architecture informatique, etc....
Cette explosion technologique pose de multiples problèmes en enseigne-ment. Elle concerne l'enseignement SPI et non pas l'enseignement SF. En-seigner l'électronique, science fondamentale, pose peu de problèmes d'évo-lution. C'est un peu comme enseigner l'optique ou la mécanique en classe préparatoire ou en licence : pas de grand bouleversement. Ce n'est pas le cas
pour ce qui concerne les SPI où beaucoup d'interrogations demeurent. Doit on enseigner les outils, toutes les technologies, toutes les applications nou-velles ou faut-il spécialiser ? peut-on suivre en enseignement cette évolution technologique? et encore une fois, sur quelles parties des SF s'appuyer ?.... Pour illustrer l'impact de l'évolution technologique et juger de ses consé-quences sur l'enseignement, on peut regarder d'un peu plus près un exemple typique de l'extraordinaire évolutivité de l'électronique dans un domaine bien connu : les composants numériques. Ce secteur des circuits intégrés numériques concerne la micro-électronique et l'informatique vues en élec-tronique, c'est-à-dire le domaine de ceux qui conçoivent, intègrent, testent, assemblent, utilisent, des composants numériques, des séquenceurs, des micro-contrôleurs, des micro et mini-ordinateurs, des automates program-mables.
2. UN EXEMPLE : LES CIRCUITS INTÉGRÉS LOGIQUES ET L'ARCHITECTURE INTÉGRÉE
À l'heure actuelle, quels sont les approches, composants et techniques dont dispose un concepteur de système numérique.
2.1 Les composants :
2.1.1. Composants standards
Les composants standards peuvent être classés suivant leur niveau de com-plexité mesuré en termes de structure (nombre de transistors) ou en termes de fonctionnalité (complexité de la fonction réalisée) (Figure 1).
Cette hiérarchie traduit l'évolution historique de la technologie au travers des taux d'intégration. On passe ainsi des portes élémentaires, aux addition-neurs, aux registres, aux compteurs, aux ALUs (Arithmétique and Logic Unit), aux mémoires, aux micro-contrôleurs, aux micro-processeurs, aux cartes et aux micro-ordinateurs... Cette structure hiérarchique peut être vue comme l'emboîtement de poupées russes. Un élément d'un niveau donné est composé d'éléments des niveaux précédents.
Les compétences nécessaires à la compréhension et à l'utilisation d'un type de composants ne sont pas exactement de même nature suivant leur niveau de complexité. Au niveau des portes, il faut maîtriser la logique combina-toire et séquentielle, l'algèbre de Boole, les problèmes d'association, de sortance, d'entrance etc... Au niveau des micro-processeurs, il s'agit plutôt de programmation en assembleur, de gestion des interruptions, de charge et de timing des bus. Au niveau micro-ordinateur, il s'agit plus de program-mation en langage évolué.... Remarquons que cette vision hiérarchique, ou poupées russes, se retrouve en électronique analogique : l'électron, le semi-conducteur, la jonction PN, le transistor, l'amplificateur opérationnel.... 2.1.2. Composants programmables non standards
Les composants non standards issus de l'évolution technologique traduisent également une organisation hiérarchique allant du plus simple au plus com-plexe. Ils incluent les PLD (Programmable Logic Devices), les ASICs (Ap-plication Specific Integrated Circuits) et les circuits à la demande (Full Custom) (Figure 2).
Les composants non standards
Full Custom (Circuits à la demande) Pal-Pla Epld-Fpla E2pld-Gal LCA FPGA PSD Prédiffusés (Gate Array) Précaractérisés
(Standard cell) Complexité
croissante
P.L.D (Composants logiques programmables)
A.S.I.C (Circuits Integrés pour applications spécifiques)
Figure 2
Chaque sous ensemble ayant également sa propre hiérarchie en termes de complexité : Les PLD incluent PLA PAL, EPLD, E2PLD, GAL, LCA, les ASIC incluent les Gate Array et les Standard cell (Figure 3)...
Là encore, l'utilisation d'un type de composant nécessite des outils diffé-rents et donc fait appel à des compétences de niveau différent. Concevoir et
réaliser un Full Custom, ce n'est pas la même chose que de programmer un PAL. Bien que l'effet poupées russes fasse que le "top" repose sur le "bot-tom", il est utile de se poser la question de savoir s'il faut enseigner l'en-semble des niveaux de l'échelle.
Remarquons que cette présentation est une approche ascendante, on part de briques élémentaires, comme les transistors ou les portes et l'on construit des systèmes de plus en plus complexes.
"et" Prog Reg "ou" Prog L.C.A. P.L.A. Figure 3
C'est traditionnellement l'approche d'enseignement des électroniciens et fi-nalement des physiciens (théorie atomiste des connaissances). Peut-on conserver cette vision plus longtemps?
2.2. Evolution technologique et évolution des fonctionnalités
La micro-électronique a vu un saut technologique par décennie (Figure 4).
Evolution Technologique
Années 40 : Tubes à vide Années 50 : Transistors
Années 60 : Intégration SSI puis MSI
Années 70 : Intégration LSI 1er Microprocesseur Années 80 : Intégration VLSI (1 M T°)
Années 90 : Intégration WLSI ?
Figure 4
Temps
Complexité Coût
Figure 5
Cette évolution correspond en gros à une croissance exponen-tielle de la complexité, crois-sance d'un facteur annuel de 1,5 pour les mémoires et 1,35 pour les processeurs (Figure 5).
Cette évolution risque d'ailleurs de s'arrêter en 2000, 2005 quand sera at-teinte la barrière des 0,1µm comme dimension élémentaire dans les circuits intégrés Silicium. Cette pose technologique devrait avoir des conséquences industrielles et économiques importantes.
Cette pression de la technologie a profondément modifié les techniques de conception et les outils, donc les métiers et les compétences demandées (Fi-gure 6). En quelques années, on s'est éloigné de la physique électronique pour passer à la logique puis à l'informatique. On a basculé de l'électricité vers le langage assembleur puis vers les langages évolués, mais également du binaire vers la CAO...
Cela dit, actuellement tous les étages de la hiérarchie sont activés lors de la conception d'une architecture. Mais ces différents étages correspondent à des métiers et à des compétences différentes : conception, implémentation, mise au point, test ... Remarquons d'ailleurs que les compilateurs de Sili-cium, intégrant toute la chaîne, tendent à modifier rapidement la vision que nous venons de présenter.
2.3. La conception d'architecture, l'approche descendante
Quand on conçoit une architecture, on procède par une approche descen-dante qui correspond à l'approche informatique ou ingénierie des systèmes. Les trois étages de la conception d'un circuit intégré numérique sont : l'ar-chitecture, l'implémentation et la réalisation.
Evolution en Conception Composants Tubes à vide Transistors discrets Transistors Intégration SSI,MSI Intégration VLSI Standard (Micro) Intégration VLSI, ASIC Intégration VLSI Full custom Conception Electrique Electrique Logique Logique, Programmation Programmation Architecture Architecture, CAO Compétences Electricité Electricité Electronique Logique Logique Programmaiton Programmation Informatique Electronique, logique Informatique
Physique Logique Informatique Transistors Portes Microprocesseur Système
Temps
Figure 6
2.3.1. L'architecture proprement dite d'un système informatique peut être définie comme "l'apparence fonctionnelle qu'il présente à un utilisateur im-médiat". Exemple : la lecture de l'heure sur une montre analogique utilise deux bras : un long pour les minutes, un court pour les heures. On décrit ce qui arrive. C'est la fonctionnalité du système, le jeu d'instructions du pro-cesseur...
2.3..2. L'implémentation qui est "La structure logique qui donne forme à l'architecture". Exemple : la structure d'échange d'énergie mettant en mou-vement les aiguilles de la montre. On décrit comment cela arrive. Il faut faire choix entre flot de données série ou parallèle, contrôleur câblé ou mi-croprogrammé, comparer les implémentations en termes de coût, de per-formances.
2.3.3. La Réalisation qui est "La version concrète de l'implémentation". Exemple : le choix mécanique ou électrique de l'énergie mettant en mou-vement les aiguilles... On décrit le détail de la fabrication. Quels compo-sants interconnecter, comment les choisir et les comparer en termes de fia-bilité, de brochage, d'immunité aux bruits ...
Dans cette approche deux structures de conception cohabitent : verticale et horizontale.
La verticale est obligatoire, l'architecture devant présenter une unité de conception. Que dire d'une maison ou la salle de bain serait conçue
indé-pendamment de la chaufferie ? Il faut un architecte avec un vision de l'en-semble. Puis il faut horizontalement dans chaque niveau, à partir d'un ca-hier des charges et en échangeant les informations aux interfaces entre ni-veaux, laisser opérer les concepteurs "horizontaux". Remarquons qu'il faut réduire autant que possible les influences mutuelles entre les niveaux en précisant les interfaces les moins contraignantes possibles mais en gardant "un œil au travers du mur" pour profiter des avances technologiques ou ar-chitecturales dans les autres niveaux. On a pu ainsi faire évoluer des im-plémentations ou des réalisations sans remettre en cause des choix d'archi-tectures, construire et remplacer un CPU par un autre plus performant sans avoir à remettre en cause toute l'architecture. On a aussi pu faire évoluer des architectures du 68000 au 68040 (micro-processeurs Motorola) en profitant de la baisse de coût des mémoires et des progrès de la technologie. Un ni-veau ne vit donc pas indépendamment des autres, il faut suivre l'évolution et pour cela avoir une formation qui permet ce suivi (Figure 7).
Ces niveaux concernent l'électronique au sens large (du transistor au jeu d'instruction). Ils sont plus ou moins importants suivant que l'on veut réali-ser un circuit intégré full custom, utiliréali-ser des composants standards, conce-voir une carte, un mini-ordinateur,...
1K 0,1K 64 66 68 Nombre de Transistors par circuit Année Densité d'intégration C. A. O. et SIMULATION COMPORTEMENTALE FONCTIONNEL STRUCTUREL LOGIQUE ELECTRIQUE S = A X B Structure hiérarchique If a= b or d then ... Approche descendante & & Figure 7 Figure 8
Cette structuration hiérarchique se retrouve actuellement dans les outils de CAO (conception assistée par ordinateur) et les moyens de simulation mis à disposition des concepteurs (Figure 8).
3. ENSEIGNER L’ÉLECTRONIQUE, POURQUOI FAIRE ? 3.1. Former un professionnel ?
Un objectif premier pour les industriels est de former un professionnel compétent et immédiatement utilisable pour prendre en main les technolo-gies actuelles. Dans notre exemple, il faut définir à quel étage de la chaîne, utilisant quel type de composant, quelle CAO ?... Se pose alors le problème
de la pérennité d'une telle formation. Un outils de CAO est dépassé en un ou deux ans quelque fois moins.
Cette rapidité d'évolution associée au coût des systèmes, souvent démesuré pour un établissement de l'Éducation Nationale, ainsi qu'au temps néces-saire pour les prendre en main montre qu'il est illusoire de vouloir former aux outils tous les étudiants en électronique et à tous les niveaux de forma-tion.
Les industriels souhaitent des électroniciens qui puissent s'adapter aux tech-niques du futur, qui soient capables de faire évoluer des produits en tenant compte des nouvelles technologies. Tâche de formation encore plus difficile si l'on s'en tient aux techniques actuelles. Il est en effet extrêmement hasar-deux de prévoir l'évolution des outils et même des méthodes dans les dix ans à venir. Malgré tout, il semble que l'informatique, l'algorithmique, les méthodologies de conception doivent faire partie de la formation. Ces do-maines deviendront peut être le fond de commerce de l'électronicien et joueront alors le rôle des lois fondamentales du physicien.
3.2. Former à quel niveau, à quoi et comment ?
BT, BTS DUT, Licence Maîtrise, Ingénieur, Recherche posent des problè-mes très différents. Dans notre exemple, cela correspond d'ailleurs à diffé-rents niveaux de prise en charge d'un système électronique : prise en charge de l'aspect vertical, ou de l'aspect horizontal global ou détaillé. La tendance actuelle, toujours du fait de la prise en compte de plus en plus grande des problèmes de réalisation et d'implémentation par la CAO, renforce les be-soins vers les formations longues et fait peu à peu disparaître les bebe-soins en technicien. L'évolution actuelle des IUT vers une formation en trois ans et l'introduction des IUP, formation Bac plus quatre, en sont la preuve.
La très grande diversité des besoins n'est plus à démontrer, pas plus que la très grande rapidité d'évolution des techniques. La diversité des besoins et l'incertitude sur les débouchés du futur rend très difficile la définition d'une formation optimale. Soulignons à nouveau la dérive des compétences de-mandées vers le conceptuel et l'informatique. Il est de moins en moins utile de savoir lire un schéma électronique qui d'ailleurs se réduit au fur et à me-sure de la progression de l'intégration (Il suffit pour s'en convaincre de comparer les cartes des micro-ordinateurs des dix dernières années). Par contre il est de plus en plus indispensable de savoir lire un programme. La connaissance, l'intelligence d'un système électronique s'est déportée du schéma électrique au programme. Il faut avoir la structure du programme pour comprendre le fonctionnement du système (Voir par exemple ce que va devenir la Télévision numérique avec ses algorithmes de compression et de décompression des données).
Dans le cadre de notre exemple, il faut bien évidemment former à une vue d'ensemble du processus de la conception. Pour cela, utiliser pour tous et de A à Z les techniques "up-to-date" de CAO n'est pas forcément des plus
ren-table. L'expérience des micro-processeurs est là pour le prouver. Une for-mation complète au langage assembleur 68000 et aux outils de développe-ment prend un temps énorme pour une rentabilité intellectuelle faible. Il est pour l'instant hors de question de prendre en main rapidement un système tel que Cadence (Outil de CAO électronique actuellement le plus utilisé). Les progrès en convivialité des outils de CAO sont indéniables mais leur lourdeur reste leur principal handicap. Il semble donc important d'illustrer les principes, de dégager les mécanismes à partir d'un exemple qui peut ne pas être "up-to-date" ; reste alors la vision structurée de la conception. Il faut apprendre des méthodes et non des outils. Il faut alors utiliser l'outil informatique comme EAO plus que comme CAO. Ceci revient à concentrer l'effort de formation vers l'analyse et la synthèse.
Un troisième volet à ne pas oublier est la formation à la communication. Savoir faire passer une information est extrêmement important. Dans la vi-sion hiérarchique présentée, il est indispensable, quand on travaille à un ni-veau, de comprendre le vocabulaire et les problèmes des autres niveaux. 4. APPROCHES ACTUELLES DE L'ENSEIGNEMENT DE
L'ÉLECTRONIQUE
Pour le physicien il faut tout expliquer. Il s'agit d'une vision atomiste et as-cendante des connaissances. Elle se traduit en électronique par la volonté de construire de la brique élémentaire à l'Empire State Building soit : de l'électron au 68040. Pour notre exemple, la question est de savoir s'il faut reconstruire toutes les connaissances : l'électron, les niveaux de fermi, les semi conducteurs (jonction PN effet transistor) effet de champ, transistor MOS, portes élémentaires, algèbre de Boole, logique combinatoire, logique séquentielle, automate système programmé, micro-processeur, machine CISC, machine RISC...? Est ce bien raisonnable ? La jonction PN, par le menu, aucun technicien n'aura à s'en servir. Seul le concepteur de dispositifs risque peut-être d'en avoir besoin. Bien que cette approche soit pédagogi-quement satisfaisante, elle n'est pas intégralement praticable vu la somme des connaissance nécessaires.
Il est alors peut-être préférable de situer le niveau hiérarchique que l'on va développer sans pour autant développer tous les niveaux. Est ce possible ? Peut on faire ce que l'on ne sait pas faire en mathématiques pour la forma-tion de base ? Ne peut on rentrer à un niveau intermédiaire de la structure, ce niveau évoluant en fonction des progrès de la technologie et en fonction des besoins (concepteur CI, architecte micro, architecte système).
Pour le technologue, il faut apprendre à se servir d'un outil ; on ne décrira que ce qui est indispensable au niveau de l'utilisateur. On utilise des boites noires, seule la fonctionnalité est décrite. L'intérêt majeur de cette vision et de cet apprentissage est à l'image de la CAO : elle permet de dégager le technicien des tâches de bas niveau qui l'empêchent de se concentrer vers son objectif : la conception générale d'un système. Cette démarche fort
inté-ressante du point de vue compétence pratique adaptée à un produit, peut ne pas être adaptée aux évolutions ultérieures des techniques.
5. CONCLUSIONS
S'il est difficile de conclure, tout au moins peut-on tracer quelques grandes lignes d'évolution de l'enseignement de l'électronique. Il faut distinguer l'en-seignement d'électronique comme science fondamentale : c'est-à-dire Élec-tronique et Physique (Physique du process, matériaux....) de l'élecÉlec-tronique comme science pour l'ingénieur. Dans ce cas, il faut alors parler d'electroni-ques au pluriel, fonction des champs disciplinaires - électronique et appli-cations : Électronique et Automatique, Électronique et Traitement du signal, Électronique et Informatique, Électronique et télécommunication...Dans ces secteurs, le déplacement des enseignements vers l'informatique, la pro-grammation, les méthodologies, les systèmes parait inéluctable. Le passage de la vision atomiste de l'enseignement à une vision plus système l'est éga-lement. Il faut viser un enseignement entrant dans la structure hiérarchique "bottom-top" à partir du niveau intermédiaire adapté au niveau et à l'objectif de formation. Après une présentation globale de la structure, il faut déve-lopper une approche mixte ascendante et descendante. La CAO et la simu-lation sont et seront de plus en plus utilisées pour enseigner une méthodolo-gie des systèmes ou pour illustrer des concepts. Mais il faut rester prudent et ne pas généraliser car cette option simulation n'est pas d'une rentabilité in-tellectuelle évidente. Elle présente par ailleurs le danger de déconnecter la formation de la réalité physique des systèmes.