V 1 et don le ourant passe à

Réalisation des iruits

ombinatoires

NousavonsvudanslehapitrepréédentommentShannonamodéliséen1937laoneption

delaréalisationdesopérationsarithmétiquespardesiruitsombinatoires.Ils'agitd'unmodèle

(mathématique)qu'ilfautimplémenter pourobtenirlaréalisationenpratique.

Plusieurs tehnologiesontétéutiliséespourlaréalisationdesiruitsombinatoires:

Ilsonttoutd'abordétéréalisésdefaçonéletroméaniqueenutilisantdesrelaistéléphoni-

ques,avantmêmelesréexionsdeShannonpuisqueesdernièresfurentuneommande

de Vannevar Bush pour améliorer son analyseur diérentiel réalisé en partie ave des

relais.

Unemultipliationesteetuéeplusvitequeparunopérateurhumain,etaveuneproba-

bilitédesetromperbeauoupmoindre,maiseiestenoreinsusantpourlealuldes

tablesdetiràlandelaseondeGuerreMondiale.Lesrelaissontalorsremplaéspardes

tubeséletroniquesutilisésenradio,plusexatementpardestriodes.Onarriveainsiaux

alulateursrapides dontlapremièreréalisationonvainanteest l'ENIAC,opérationnel

ennovembre1945.

L'ENIAComporte18000triodesalorsquelesréalisationslesplusomplexesdel'époque

neomprenaientpasplus d'une entaine de tubes életroniques.Ces lampes grillent ré-

gulièrementetlaonsommationéletriqueesténorme.L'apparitiondutransistoren1948

vapermettrederésoudrees deuxproblèmestout enminiaturisantlesalulateurs.

Lenombred'élémentsaugmentedeplusenplus.L'apparitiondesiruitsintégrésen1959

permet deminiaturiserenorepluslesordinateurs.

4.1 Les iruits életroméaniques

4.1.1 Prinipe de réalisation des iruits

Nous avons vu dans le hapitre préédent qu'il sut de savoir réaliser quelques fontions

logiques debase pourlesréaliser toutes.On appelleporte(gate en anglais)untelélémentde

base(parunjeudemotrappelantqu'iln'yaquedeuxvaleurs:uneporteestouverteoufermée).

On relie es diérentes portes entre ellespour obtenir des iruits de ommutation (autre

nom donnéauxiruitsombinatoires,ar ilsétaientutilisésàl'originepourlesommutateurs

automatiquesdesentralestéléphoniques).

4.1.2 Les relais

Nousavonsdéjàdérit equ'un unrelaiséletroméaniquesdanslehapitrepréédent. Re-

prenonsiiequenousavionsdit alorspourêtreomplet.

Figure 4.1Priniped'unrelais

Unrelais(relayenanglais)estuninterrupteurommandééletriquementommemontréàla

gure4.1:ilestformédedeuxlanguettesd'aier(donondutriesdel'életriitéetattirables

parunéletro-aimant),l'unexeet l'autremobile, pouvantsetouher;lalanguettemobile est

tenue enpositiondisons haute,ne touhantpaslalanguettexe,grâe àunressortderappel;

unpetitéletro-aimantpeut,lorsqu'ilestalimenté,lamettreenpositionbasse,equipermetle

passageduourant.

Figure4.2 Représentationshématiqued'unrelais

Un relaispeutêtrereprésentéshématiquementommesurlagure4.2,lavrilleorrespon-

dantàl'életro-aimant.

Onpeutdistinguerdeuxtypesderelais:euxdontlapositionnaturelleestd'êtreouvert(le

ressortderappeléviteleontatentre lesdeuxlanguettes; 'estle typequenousavonsrepré-

sentéi-dessus)eteuxdontlapositionnaturelleest d'êtrefermée(leressortderappelforele

ontatentre lesdeuxlanguettes).

4.1.3 Réalisation des portes logiques

4.1.3.1 Réalisationd'un inverseur

On voit à la gure 4.3 omment on peut réaliser un iruit NON (ou inverseur) : ii on

onsidèrequelapositionnaturelledurelaisestd'êtreferméetnonouvert;unourantenentrée

ouvrira l'interrupteur; puisqueela arrêtele ourant, le résultat seraun ourant qui ne passe

pas;ainsi,àtoutmomententréeet sortieontdesvaleursopposées,ommeilétaitrequis.

Figure 4.3Inverseuràrelais

4.1.3.2 Réalisationd'une porte OU

Onvoitàlagure4.4ommentonpeutréaliseruneporteOU:leourantessaiedepasserpar

l'undesdeuxrelais,quisontmontésenparallèleetdontlapositionnaturelleestd'êtreouverts;

e n'estquelorsque leourantnepasse dansauundes deuxpoints d'entréequeleourantne

passepasensortie.

Figure4.4PorteOUàrelais

4.1.3.3 Réalisationd'une porte ET

On voit à la gure 4.5 omment on peut réaliser une porte ET : les deux relais, dont la

positionnaturelleestd'êtreouverts,sontmontésensérie;ilestlairquelesdeuxrelaisdoivent

êtrefermés pourquele ourantpasse,donquele ourantpasse dans lesdeux pointsd'entrée

simultanément.

Figure4.5PorteETàrelais

4.2 Les iruits à lampes radio

4.2.1 Diode et triode

4.2.1.1 Émissionthermoéletronique

Lorsque la température d'un orps s'élève, les életrons des atomes aptent une partie de

l'énergie thermique et hangent de niveau dans l'atome. Ceux qui sont situés sur les ouhes

externes peuvent éventuellement quitter l'inuene du noyau qui les retenaient et s'éhapper

omplètement.

Figure4.6L'émissionthermoéletronique

Un lamentmétallique,plaé dansuneampoulevided'airet parouruparunourantéle-

trique d'intensité susante, peut atteindre une température telle que leséletronsdes atomes

appartenantàsasurfaepeuvent s'éhapperet former unnuageautour delui. Biensûr,ils ne

vontpasbienloinarleshargespositivesdesnoyauxqu'ilsontquittélesattirentetilsnissent

parrejoindrelelament.

4.2.1.2 Ladiode

Lalampeéletroniquelaplussimpleest ladiode,dontleprinipeestreprésentéàlagure

4.7. Une telle lampe omporte trois brohes sortant d'une ampoule en verre à l'intérieur de

laquelle unvide très poussé a été fait (pression de l'ordrede

10 ^{− 6}

^{mm de merure), reliées à}

deuxélémentsmétalliques:

Figure4.7Prinipedeladiode

L'anode ouplaqueest unylindredetlemine,reliéeàlabroheA.

La athode, reliée aux brohes F1 et F2, est onstituée d'un lament haué à blan.

Elleesthargéed'émettredeséletrons.

Le nuage d'életrons qui se forme autour de la athode onstitue une harge négative (la

harged'espae)qui repousseleséletronsquivoudraients'éhapperdelaathode.

Figure4.8Trèsfaible passagedeourant

Commeleshématiselagure4.8,une vingtainedeseondesaprèsquelelamentaétémis

soustension,laathodeesthaudeetommeneàémettredeséletronsdontertainstraversent

l'espae athode-anode. Onpeut mettre en évidene le phénomène en branhantun miroam-

péremètreentrelaathode etl'anode.Un ourantdequelquesentainesdemiroampèrespeut

êtremesuré.

Figure4.9Passagedeourant

Ce très faible ourant augmente de façon importante pour atteindre plusieurs dizaines ou

entaines demilliampèreslorsquel'onapplique surl'anodeunpotentielpositifsusantàl'aide

d'unesouredeourantontinu,ommelemontreleshéma4.9.L'eetsefaitsentiràpartirde

quelquesvolts.

Si l'oninverselapolaritédugénérateurdeourantontinuUa,l'anodedevenuenégativepar

rapportàlaathoderepoussetousleséletronsetplusauun ourantnepasse.

Unediodeestsymboliséedelafaçonindiquée àlagure4.10(2/1).

Figure4.10Unediode([Bow-53℄,p.40)

4.2.1.3 Latriode

Entrelaathodeetl'anodedeladiodeàvides'établitunourantd'életronsdontl'intensité

dépend (entre autres) de la température de la athode et de la diérene de potentiel entre

l'anodeetlaathode.Dansleasdelatriode,unegrilleestplaéeentrelaathodeetl'anode,

donsurletrajetdeséletrons,ommelemontreleshéma4.11.

Figure4.11Prinipedelatriode

Lorsquelagrilleestàunpotentielnégatifparrapportàlaathode,elleétablitunebarrièrequi

réduitd'autantplusleuxd'életronsqu'elleestnégative.Lapuissanenéessairepourmodier

latensiondelagrilleesttrèsfaibleparrapportàlavariationdetensionanodeprovoquéeparla

variationdelatensiongrille,d'où lesfaultésampliatriesdelatriode.

Figure4.12Symboledelatriode

Unetriodeestreprésentéeommeindiquéàlagure4.12,oùFFreprésentelesdeuxbrohes

dulament,Klabrohedelaathode,Glabrohedelagrilleet Alabrohedel'anode.

4.2.2 Réalisation des portes logiquesà l'aide des lampes életroniques

4.2.2.1 Train d'impulsions

Lagure4.13montrelafaçondontonutiliselalogiquenégative:lesiruitssontmaintenus

à un niveau haut (H omme Hight), qui représente 0, et on envoie des impulsions négatives,

'est-à-direunniveau bas(LommeLow),qui représente1.

Figure4.13Traind'impulsionsnégatives([Bow-53℄,p. 42)

4.2.2.2 Réalisationd'une porte ET

Lagure4.14montreommentréaliseruneporteETàl'aidededeuxdiodes(etd'unerésis-

tane) enlogique négative: si 1ou2ontun niveauhaut (représentant0) alors3 aégalement

unniveauhaut(représentant0);parontresi1et2ontunniveaubas,alorsauunourantne

passeet 3aunetensionbasse(représentant1).

Figure 4.14Réalisationd'uneporteETavedeuxdiodes([Bow-53℄, p.43)

4.2.2.3 Réalisationd'une porte OU

Lagure4.15montreommentréaliseruneporteOUàl'aidededeuxdiodes(etd'unerésis-

tane)enlogiquenégative:si1ou2ontunetensionbasse(représentant1)alors3aégalement

unetensionbasse(représentant1);parontresi1et 2ontunetensionhaute,auunourantne

passeet 3aunetensionhaute(représentant0).

Figure 4.15Réalisationd'uneporteOUavedeuxdiodes([Bow-53℄, p.44)

4.2.2.4 Réalisationd'un inverseur

La gure 4.16(a) montre omment réaliser uninverseur àl'aide de deux triodes (et d'une

résistane)enlogiquenégative:

Si1aunetensionbasse(représentant1)alorsleourantnepeutpaspasseràtravers

V 1

^.

Ilnepassedonpasnonplusàtravers

V 2

^{.Ainsi2aune tensionhaute,}représentant0.

Si1aunetensionhaute(représentant0) alorsleourantpeutpasseràtravers

V ¹

^.L'im-

pulsion standard à un niveauhaut passe don à travers

V ¹

^{et don le ourant passe à}

travers

V 2

^{.Ainsi2aune tensionhaute,}représentant0.

Figure4.16Réalisationd'uninverseuraveunedeuxtriodes([Bow-53℄,p. 46)

4.3 Les iruits à éléments semi-onduteurs disrets

4.3.1 Les iruits à transistors

4.3.1.1 Comportementd'un transistor

Un transistor possèdetrois bornes,appeléesémetteur,baseet olleteurpouruntran-

sistor bipolaire et soure, barrière (gate en anglais) et drain pour un transistor à eet de

hamp(FET pourl'anglais Field Eet Transistor).La gure4.17(a) montre un transistor(à

eetdehamp)dansuniruitélémentaireomprenantunesouredeourantdetension

V cc

^,une

résistane

R c

^{etletransistorreliéparsesbornesdrainet soure.Larésistane,appeléeharge}

(load enanglais),sert d'unepartàéviterunourt-iruit,ar nousverrons queletransistorse

omporteommeune résistanenulledans ertainsas,et d'autrepartàfairevarierlatension

V ds

^{. Ilfaut onsidérerqu'il yaune seonde sourede ourantentre labarrière et lasourede}

tension

V bs

^.

Figure4.17Courbesaratéristiquesd'untransistor

Déterminonsleomportementdutransistor,plusexatementdel'intensité

I ds

^(quel'onpeut

mesurer àl'aide d'un ampéremêtre) entre ledrain et lasoure en fontiondes tensions

V cc

^et

V bs

^{. Lagure4.17(b)montrel'alluredelaourbe}

I ds = f (V ds )

^{pourquatrevaleursde}

V bs

^:

Pour

V bs = 0

^ona

I ds = 0

^{,autrementdit letransistorseomporteommeunerésistane}

nulle.Onditqu'ilest

hh

éteint

ii

(oenanglais).

Appliquonsdestensions

V bs

^{positives.Ilexisteunetensiondeseuil}

V s

^{au-delàdelaquelle}

unourantpasseentrelasoureet ledrain. Ondit queletransistors'allume(is onen

anglais).

Ilexisteunetensionde saturation

V sat

^{tellequ'onaunezonepresquelinéairepour}

V ds

omprisentre

V s

^et

V sat

^{.Cettezone permet d'utiliser letransistoromme}ampliateur, equinenousintéressepaspourlesiruitsdeommutation.

Lorsque

V ds

^{dépasselatensiondesaturation}

V sat

^,l'intensitéresteàunevaleuronstante.

4.3.1.2 Utilisationd'un transistor ommeinverseur

La gure4.18montrel'utilisation d'un transistordansuniruitpourréaliseruninverseur

(uneporteNON):lestensionsontpourréférenelabornesouredutransistor;latensiond'en-

trée

V in

^{est appliquée à la barrière; la tension de sortie}

V out

^{est prise sur le drain. Dans es}

onditions:

Figure4.18Utilisationd'untransistorommeinverseur

Si

V in = 0

^{alorsletransistorestéteintdon}

V ds = 0

^et

V out = V cc

^{,onsidéréomme1.}

Si

V in = V cc

^(ave

V cc > V s

^{) alors le transistorest allumé don}

i ds > 0

^et

V out < V cc

^,

valeurquel'onpourraonsidérerommenulleoutoutaumoinsommeniveaubas.

À unniveaubasorrespond unniveauhaut et àunniveauhaut orrespondun niveaubas,

onadonbienuninverseur.

4.3.1.3 Utilisation de deux transistorspour réaliser uneporte NAND

Lagure4.19nous montreommentréaliserune porte NANDdontlesentrées sontA et B

et lasortieZ.L'alimentationet lesâblages ontétésuppriméspourplusdelarté:

Figure4.19UtilisationdedeuxtransistorsommeporteNAND

Si A = B = 0 alors les deux transistors sont éteints, e qui fait qu'auun ourant ne

parourtlahaînequi omprendlahargeet lesdeux transistors.Dans esonditionsla

sortieZ estàlatensiond'alimentation

V cc

^,'est-à-direZ =1.

Unraisonnementanalogues'applique pourA=0,B=1etA=1,B=0.

C'estseulementdansleasoùA=B=1quelesdeuxtransistorssontallumésetqu'un

ourantpeutpasser.DanseasZest trèsfaible,onsidéréomme0.

LafontionZ=f(A,B)représente donbien uneporteNAND.

4.3.1.4 Utilisationde deuxtransistors pour réaliser uneporte NOR

Lagure4.20nousmontreommentréaliserune porteNORdontlesentréessontA etBet

lasortieZ. L'alimentationetlesâblagesontétésuppriméspourplusdelarté:

Si A = B = 0 alors les deux transistors sont éteints, e qui fait qu'auun ourant ne

parourtlahaînequi omprendlahargeetlesdeux transistors.Danses onditionsla

sortieZ estàlatensiond'alimentation

V cc

^,'est-à-direZ=1.

Figure4.20UtilisationdedeuxtransistorsommeporteNOR

Parontresi A =1ouB= 1alorsl'un desdeux transistorsaumoins est alluméet un

ourantpeutpasser. DanseasZesttrès faible,onsidéréomme0.

LafontionZ=f(A,B) représentedonbien uneporteNOR.

4.3.1.5 Famille logique TRL

Les premiers iruits ombinatoires à transistors semi-onduteurs utilisaient des ompo-

sants disrets, 'est-à-dire qu'un transistorse présentait sousla forme de la gure4.21. Les

premiers transistorsétaient rares; on en utilisait donun minimum pourun maximum de ré-

sistanes,relativementbonmarhéquantàelles.C'étaitdesiruitsTRL(TransistorResistor

Logi).

Figure4.21Présentationdestransistorsàl'utilisateur

4.3.2 Les iruits à transistors et diodes semi-ondutries

4.3.2.1 Les diodes semi-ondutries

Commepourleslampeséletroniquesappeléesdiodes,unediode semi-ondutrieestun

omposantéletroniqueàbasedesemi-onduteursqui nelaissepasserleourantquedansune

seulediretion,dontlesymboleestmontréàlagure4.22(a).

Figure4.22Symboleetaratéristiquesd'unediodesemi-ondutrie

Une diode idéale oreune résistanenulle pour unourant de l'anode àla athodeet une

résistaneinniedelaathodeàl'anode,'est-à-direqu'onaleomportementdelagure4.22(b).

Danslaréalitéonaunomportementprohedeeluireprésentéàlagure4.22().

4.3.2.2 Réalisationdes portes ET etOU ave des diodes

Commepourleslampesdiodes,lesdiodessemi-ondutriespermettentderéaliserdesportes

ETet OUommemontréàlagure4.23,oùune tensionde1à10V représenteleniveau1et

unetensionprohede0Vleniveau0(logiquepositive):

e 0

^,

e 1

^et

e 2

^{sontlestensionsauxbornes}

Z,Aet Brespetivement.

Figure4.23RéalisationdesportesETetOUavedesdiodessemi-ondutries

4.3.2.3 Famille DTL

L'inverseurnepeutpasêtreréaliséavedesdiodesmaissionutiliselesdiodespourlesportes

ETetOUetlestransistorspourlesinverseurs,onobtientuniruitditDTL(DiodeTransistor

Logi).

4.4 Utilisation des iruits intégrés

4.4.1 Notion de iruit intégré

4.4.1.1 Notionde iruit intégré

Lestransistorsetlesdiodessemi-ondutriessontonstituésdematériauxsemi-onduteurs

dontl'élémentessentielest uneplaquesemi-ondutrie.Pourquoinepasplaerplusieurstran-

sistorsetdiodessurunetelleplaque?Telleestl'idéeàlabasedesiruitsintégrés(CIouIC

pourl'anglais IntegratedCiruit). Il est alors possible de réaliserune fontion logique, plusou

moins ompliquée,sur une mêmepue (hip enanglais) ommeonl'appelle,en référeneàla

ouleuret àlatailledeesiruitsintégrés.

Figure4.24Aspet d'unepueéletronique

4.4.1.2 Présentation matérielledes iruitsintégrés

Un iruitintégréproprementdit seprésente souslaforme d'unepueommele montre la

gure4.24.

Figure 4.25BoîtierdeiruitintégréavedesbrohesDIL

L'utilisationd'unsipetitomposantavedesinombreuxpointsàrelier(lesélémentsdisrets

doiventêtre reliés auiruit pardeuxsoudures dansle as desrésistanes outrois dans leas

destransistorsalorsquelesiruitsintégrésontbeauoupplusdepointsd'entréeetdesortie)a

onduitàempaqueterlapuedansunboîtierd'oùsortent,pourlespremiersiruitsintégrés,14

brohes(1964),puis24brohes(1968),28(1971),40(1974),64(1980)etbeauoupplus,leplus

souventdisposéessuivantdeuxrangéesparallèles(DILpourDualIn Line),ommelemontrela

gure4.25.

Lafontionduiruitintégréest indiquéeparunshémadutypedeeluidelagure4.26.

Figure4.26ShémafontionnelduiruitintégréSN7400([TI-73℄, p.62)

4.4.1.3 Les familleslogiques

Les iruits intégrésayant en ommun ertaines aratéristiquesappartiennent à la même

famillelogique(logi familyenanglais).D'un pointdevuepratique,onpeutonneterentre

euxdesiruitsd'unemêmefamille.

Nous avonsvu quel'utilisationd'élémentsdisrets aonduitauxiruitsTRLet DTL.Les

premiers iruits intégrés ont été réalisés à l'aide des résistanes et de transistors. Pour les

distinguerdesiruitsTRLàélémentsdisrets,onlesaappelésiruitsRTL(ResistorTransistor

Logi). Maisla réalisationderésistanes sur desiruitsintégrésest plus diile queelle des

transistors;onadonétéonduitàlesremplaerpardestransistorsetàminimiserlenombrede

résistanes.C'estainsiquesontapparuslesiruitsintégrésTTL(TransistorTransistorLogi).

Ilestquelquefoisnéessairedeonneterdesélémentslogiquesn'appartenantpasàlamême

famille logique. Ilfaut alors prévoirune interfae entre les éléments, qui traduit les signaux

de sortie d'une famille en signaux d'entrée néessaires pour l'autre famille. Certaines familles

peuventêtreonnetéessansinterfae,onparlealorsdefamillesompatibles.

4.4.1.4 Caratéristiques

Considéronslesaratéristiquesd'uneporteidéale:

Danstouslessystèmesàlogique positive,leniveau0est représentépar0Vet leniveau

1parunetensionpositivedel'ordrede5V.

Sionvisualiselasortied'uneportesurunosillosope,onserendomptequeladiérene

depotentieln'estpasonstantemaisrésultedelasuperpositiond'uneomposanteontinue

(disons5V) et deutuations aléatoires(appelées bruit,noise en anglais)de plusieurs

entainesdemillivolts.

Lesniveauxlogiquesdoiventdonorrespondre,nonpasàdeuxtensionsdéterminées,

maisàdesplagesdetensions,aussilargesquepossibleetquinedoiventévidemmentpas

sehevauher.Ildoityavoirunemargede séuritéoumarge debruit(noise margin

enanglais)autourdelatensionhoisie.

Chaqueportedoitdissiperlemoinsd'énergiepossible,voirepasdutoutdansleasidéal.

En eet l'énergie dissipée haue les iruits, e qui néessite d'adjoindre aux iruits

desventilateursou, dans des asextrêmes, des refroidissementspareau. Deplus laa-

bilitébaisselorsque latempérature s'élève.En outresi unsystème abesoinde ourants

importants,il abesoind'alimentationsoûteusesetenombrantes.

Lapropagationàtraversune portedoitêtre laplusrapidepossible,instantanéedansle

asidéal.Lagure4.27amontrelessignauxd'entréeetdesortied'uneporteNONidéale

etlagure4.27beuxobservéssur uneporteNONréelle.Surlapremièregureiln'y a

auunretardentrelavariationdetensiond'entréeetelledesortie:leshangementssont

instantanés.Dans lesportesréelles, ilsnelesontpas.

Onappelletempsde ommutationladuréedu passageduniveauhautau niveau

bas.

On aimerait bien que la sortie d'une porte puisse être l'entrée d'un grand nombre de

portesenparallèle,idéalementuneinnité.Cei n'estévidemmentpasleas.Onappelle

sortane(fan-outenanglais)lenombred'entréesquel'onpeutrelieràunesortie.

Lesaratéristiquesd'unefamillelogiqueonernentd'abordlestensions:

V IHmin

^{(pourInputHighMINimum)estlatensiond'entréeminimalequel'élémentlogique}

doitreevoirpourqu'ellesoit interprétéeommeunniveaulogiquehaut.

V ILmax

^{(pour Input Low MAXimum) est latension d'entréemaximale quel'élémentlo-}

giquedoitreevoirpourqu'ellesoitinterprétéeommeunniveaulogiquebas.

V OHmin

^{(pour Output High MINimum) est la tension de sortie minimale que l'élément}

logiquedoitrenvoyerpourqu'ellesoit interprétéeommeunniveaulogique haut.

V OLmax

^{(pour Output Low MAXimum) est latension de sortie maximale quel'élément}

logiquedoitrenvoyerpourqu'ellesoit interprétéeommeunniveaulogiquebas.

Cestensionspermettentdealulerlesmargesdebruit :

margin low = V ILmax − V OLmax

margin high = V OHmin − V IHmin

pourune sortanede1.

Lesaratéristiquesd'unefamillelogiqueonernentégalementlesintensités:

I IHmax

^{(pourInput High MAXimum)est} l'intensitéd'entréemaximaleque l'élémentlo- giquepeutreevoirlorsqu'un niveaulogiquehautestappliqué.

I ILmax

^{(pour Input Low MAXimum) est} l'intensité d'entrée maximaleque l'élémentlo- giquepeutreevoirlorsqu'un niveaulogiquebasestappliqué.

I OH

^{(pour Output High) est} l'intensité de sortie que l'élément logique renvoie pour un niveaulogiquehaut.

I OL

^{(pour Output Low) est} l'intensité de sortie que l'élément logique renvoie pour un niveaulogiquebas.

I OS

^{(pourOutput Shorted)est} l'intensitédesortiepourunniveaulogiquehautquel'élé- mentlogiquerenvoielorsqu'uneentréeetune sortiesontreliées.

Lesintensitésd'entréesontpositivesetlesintensitésdesortienégatives.

Cesintensitéspermettentdealulerlasortanelorsqueelle-in'estpasexpliitementdon-

née.Traditionnellement,ondénit lasortaneomme:

sortance = I out

I in

où

I out

^{estleourantquepeutfournirouabsorberlaporte,}

I in

^{leourantabsorbéoufournipar}

ParexemplepouruniruitTTLona:

I IH = 40µA, I IL = 1.6µA I ⁰ H = −400µA, I OL = −16µA

d'oùunesortane de10.

Sigle Nom Nombre Année Ciruittypique

élémentsdisrets 1 1948 transistor

SSI SmallSaleIntegration

<

^{100 1964 portelogique}

MSI MediumSale Integration 100à1000 1968 registre

LSI LargeSale Integration 1000à100000 1971 mémoire

VLSI VeryLSI 100000à1000000 1975 miroproesseur

ULSI UltraLSI

>

^{1000000 1982}

4.4.2 Utilisation des iruits intégrés pour les iruits ombinatoires

4.5 Historique

Nousavonsillustréle prinipederéalisationdesiruitsombinatoiresdanslehapitrepré-

édent par la tehnologie des relais. Ce n'est évidemment pas la seuletehnologie possibleet,

biensûr, pasellequi estutiliséedenosjours. Passonsenrevuelestehnologiesutilisées.

Auunedestehnologiesn'aétéonçuepourlaréalisationdesiruitsombinatoires,nimême

des alulateurs.Pourhaque tehnologie,nous rappellerons son origine puisl'appliationaux

alulateurs,pluspartiulièrementiiàlaréalisationdesiruitsombinatoires.

4.5.1 Les iruits méaniques

LesseulsalulateursméaniquessonteuxdeCharlesBabbage(onçumaispasréalisé)vers

1830etdeKonradZuse danslesannées1930.BienqueZuseait arméen1980(dansletexte

itéau hapitrepréédent)qu'ilappliquait lathéorie desiruitsombinatoiresàlaréalisation

de ses alulateurs, il ne nous reste pas de doument pour expliquer omment il faisait et la

reonstitutionàpartirdesmatériaux restantsn'estpasune tâhe susammentexaltante pour

qu'ellesoitréalisée.Nousnedironsdonriensurette tehnologie.

4.5.2 Les iruits életroméaniques

Commenousl'avonsvudanslehapitrepréédent,GeorgeStibitzautilisélesrelaisutilisés

pour l'industrie téléphoniquepour réaliser un demi-additionneur en 1937. Cette tehnologie a

étéutiliséependantunelongue périodepourlaréalisationdealulateurs.

4.5.2.1 Originedes relais

Nous pouvons onsidérer, poure qui nous intéresse, la tehnologie desrelais eletroméa-

niques omme une tehnologie bien au point dans les années 1920 lorsqu'elleest utilisée pour

réaliserdesalulateurs.Pourlesplusurieux,il estintéressantd'enonnaîtrel'origine.

Vers1830nombred'inventeursetdesavantsherhentàappliquerl'életriitéauxproédésde

transmissionàdistanedontlesfrèresChappeavaientétépionniersaveletélégrapheoptique.

L'élero-aimantestinventéparl'anglaisWilliamSturgeon(1783-1850)en1824(voirgure Premieréletro-aimant

4.28).

Figure4.28Lepremieréletro-aimant,inventéparSturgeonin1824.Dessindel'artilede

1824dansBritish RoyalSoietyof Arts,Manufatures, andCommere.Ilya18toursde lde

uivre(nonisolé).

Le premier relais életrique est onstruit par l'inventeur amériain Joseph Henry (1797 Premierrelais

1878). Il ommene par améliorer la tehnologie des élero-aimants en isolant les ls (de fer)

dubobinage,equi luipermetd'obteniren1829deséletro-aimantsd'unegrandepuissanede

levage.

Ildéide en1831d'utiliser leséletro-aimantspourdes appliationsplusnes quele levage

despoids.Entre lesextrémitésd'un feràhevalen aieromplètementbobinéde léletrique

isolé (gure4.29),ilplaeune petite tigemétalliquemobile, montéesurunsupportvertial;le

boutdeettetigeestattiréeparl'életro-aimantlorsqueleourantéletriquepasse,puisrevient

en position intermédiaire dès quele ourantest oupé.Lors dudéplaement deettetige, son

extrémitéopposéefrappesurletimbred'unesonnette.Henryréussitàprovoquerdestintements

àune distanede1,5km.

Figure4.29Lepremierrelaiséletrique([Lig-87℄,p. 184)

LatélégraphieéletriqueintéresselepeintreSamuelMorse(17911872).Dépourvudeforma- Morse

tionsientique,ils'adresseàL.D.Gale,professeurdesienesdansl'établissementoùMorse

enseignelapeinture,quil'orienteversJosephHenryen1837.CedernierexpliqueàMorseque,

dufait delaloid'Ohm, auunepile, sipuissante soit-elle, nepeutenvoyerunsignaléletrique

au-delàd'uneertainedistane. Une ligne télégraphiqueéletriquedoit donêtre omposéede

segmentsautonomes, alimentés parleur proprepile, et reliés entre euxpardes életro-aimants

agissantommedesrelaiséletriques.S'appuyantsuresbases,Morseréussitàmettreaupoint

untélégrapheetprend unbrevetàsonnomen1840[Mor-40℄.

En 1843, après bien des déboires et plusieurspériodes de profond déouragement, Morse

obtientlapermissiond'établirunelignetélégraphiquede60kilomètres,entre BaltimoreetWa-

shington.

Figure4.30Relais életromagnétique

Un relais (gure 4.30) est omposé prinipalement d'un életroaimant, qui lorsqu'il est ali-

menté,transmetuneforeàunsystèmedeommutationéletrique:lesontats.

4.5.2.2 Utilisation desrelais pour lesiruits ombinatoires

De nombreux projetsde alulateurs életro-méaniquesutilisant des relais émergententre

1920 et 1940, omme le montre le hapitre 4de [Lig-87℄ (malheureusement sansbibliographie

primaire).Nousn'en retiendronsque eluideVannevarBush(18901974)qui vajouerunrle

indiretparlasuite.

Né àEverett(Massahussets)le 11mars1890, petit-lsd'un apitainebaleinieret ls d'un VannevarBush

pasteurde foi

hh

universaliste

ii

, VannevaBushestanimétoutesavieparlaroyaneprofonde queleBiendoittriompherduMal,danslemondeommedanshaqueindividu.Plongeurdans

unrestaurantpourpayersesétudes sientiquesà Tufts College, il obtienten 1913 unemploi

auxlaboratoiresd'essaisdeGeneralEletri.Ilretourneensuiteàsonollègepouryenseignerles

mathématiques;ilétudieenmêmetempsl'ingénierieméaniqueàHarvardetauMITetobtient

sondotorat. Àl'entréeenguerredesÉtats-Unis,en1917,il travaillepourl'USNavy,dansun

laboratoirespéialisédansl'étudedesarmesontrelessous-marins.Démobilisé,ildirigeauMIT

desreherhessur letransportdel'énergieéletrique.Nomméprofesseur,il devientparlasuite

présidentdesoninstitut.

Bushinstalledanslesous-soldesamaisonunatelieroùilmontelesdispositifsnouveauxqu'il

imagine; parmieux-i,des instrumentsdealul analogique.En 1925,ave l'aidedequelques

autresuniversitaires,ilonstruitsapremièremahine,méaniquemaismueparunmoteuréle-

trique,apablederésoudredeséquationsdiérentielles.En 1930,avedesfondsduMIT,ilmet

aupointun

hh

analyseurdiérentiel

ii

dontdeuxrépliquessontonstruites:lapremièrepourla

MooreShoolofEletrialEngineeringàl'universitédePennsylvanie;laseondepourleBallisti

ResearhLaboratorydel'USOrdnaneDept., installéàAberdeen dansleMaryland.

À partirde 1935, VannevaBushlane le MITdans laonstrution d'un grandalulateur

hybride, partiellement dirigépar unprogramme sur ruban de papierperforé. Cetteentreprise,

assoiant de nombreux omposants méaniques, életriques (relais) et életroniques (lampes),

trèsomplexeetfortoûteuse(125000dollars)neseraahevéequ'en1942.L'étatdeguerrefait

tenirsaréussiteserète.

En1939,saréputationluivautd'êtrenomméprésidentdel'InstitutCarnegie,àWashington.

En 1940 F. D. Roosevelt,onvainu qu'unepartiipation desÉtats-Unis àlaguerre est iné-

vitable,réeune ommission desavants,le

hh

NationalDefense Researh Committee

ii

, devenu ensuite l'

hh

Oe of Sienti Researh and Development

ii

(OSRD) et en one la diretion

à Vannevar Bush. Celui-i organise magistralement la mobilisation intelletuelle de six mille

sientiques, s'assurel'appuide vingt-quatremille tehniiens et réussitleurbonneassoiation

ave lesmilitaires dansdeux mille projets diversimpliquantun investissement de125millions

dedollarsparan.Ledéveloppementdesradarstatiquesetlaréalisationdelabombeatomique

sontlesplusimportantsdeesprojets.

Après la guerre,Bush fait admettre lanéessité d'un eortsanspréédenten faveur de la

reherhefondamentale.Un desesrapportsdéideleCongrèsamériainàvoter,en1951, laloi

dite

hh

NationalSieneFoundation

ii

(NSF).

Entre-temps, Bush est retourné travailler dans le sous-sol de sa maison sur de nouvelles

inventionsjusqu'àequ'ildéèdele28juin1974,àquatre-vingt-quatreans,d'uneriseardiaque.

C'est son alulateurhybride qui nous intéresseii. Cependant il en existe peu de détails.

ClaudeShannon

Par ontre,nous avons vu au hapitre préédent omment Bush remarque Claude Shannon

et omment e dernier érit l'un des artiles théoriques fondamentaux sur l'analogie entre la

ommutationetl'algèbredeBoole.

Nousavonségalementvudanslehapitrepréédentommentlepremieradditionneurutilisant GeorgeStibitz

4.5.3 Les iruits à lampes életroniques

Lesrelaiséletroméaniquespermettentdonderéaliserdesiruitsombinatoires.Nousen

avonsdonune implémentation, equi estsusantd'unpointdevuethéorique.Cependant,si

lesalulsréaliséssontplusrapidesqu'àlamain et avemoins d'erreur,onn'enest pasenore

aux alulateurs rapides néessaires pour ertaines appliations : nous en verrons la néessité

poignante à propos de l'ENIAC. Pour améliorer la vitesse d'exéution, on penseà utiliser les

lampeséletroniquesourammentutiliséesalors dans lespostesde radio.Là enore,on utilise

unetehnologiealorsbienaupoint,dontnousdonnonsl'originepourlesplusurieux.

4.5.3.1 Apparition deslampeséletroniques

Uneémissionthermoïonique,termeintroduit parOwenRihardson,estunux d'éle- Émission

trons provenantd'un métal oud'un oxyde métallique, provoquépar lesvibrations desatomes thermoïonique

duesàl'énergiethermiquelorsqueeux-iparviennentàsurmonterlesforeséletrostatiquesqui

lesmaintiennentprèsdesnoyauxatomiques.

Cet eet est rapportépar un ertainnombre d'auteursdès le XVIII

e

sièle ([Ri-16℄, p. 2)

et,en partiulier,en1873parFrederikGuthrieen Grande-Bretagne: alorsqu'il eetueun

travailsur lesobjets hargés,il déouvrequ'unesphèredefer hauée aurougeet hargéené-

gativement,perdsaharge;ildéouvreaussiqueelaneseproduitpassilasphèrepossèdeune

hargepositive.

L'eet estredéouvertaidentellementen1880parThomasEdison(18471931),qui vient

d'inventer lalampeàinandesene(1878)alorsqu'ilessayed'expliquer larupture dulament

et lenoirissementduverredes lampesinandesentes.Edisononstruit une ampouleavela

surfaeinternereouverted'unefeuilled'étain.Quandilonnetelafeuilleaulamentautravers

d'ungalvanomètre,enappliquantunetensionnégativeàlafeuilleparrapport aulament,rien

nesepasse.Mais, quandilaugmentelatensiondelafeuilledemanièreàatteindreune tension

positiveparrapportau lament,une petiteirulation deourantest détetée parle galvano-

mètre:eis'expliquemaintenantparlefaitquedeséletronssontémisparlelamenthaudet

attirésparlafeuille,fermantainsileiruit.Cetteunidiretionalitéduourantestappeléeeet

Edison(etermeétantparfoisutiliséommeréféreneàl'eetthermoïonique lui-même).Bien

qu'Edisonnevoitpasd'appliationpoureteet,ildéposeunbreveten1883,maisnel'étudie

plus.

SirOwenRihardson(18791959)montreen1901quel'eetestdûàl'émissiondepartiules

négatives, mais e n'est que plus tard qu'on saura qu'il s'agit d'életrons (identiés dans le

rayonnementathodique en1895 parJean Perrin (1870-1942)).OwenRihardson ontinue

àtravaillersurl'émissionthermoïoniqueetreçoitleprixNobel[Ri-29℄en1929autitrede1928

hh

poursontravail surlephénomène thermoïoniqueetplusspéialementpourla déouvertede la

loiportantmaintenantsonnom

ii

.L'équationdeRihardsonénonequeladensité

J

^(en

A/m ²

⁾

duourantémisdépenddelatempératuresuivantl'équation:

J = A G T ² e ^{− kT W}

où

T

^estlatempératuredumétal(enKelvin),

W

^{letravaildesortiedumétal(en}életron-volt),

k

^{laonstantedeBoltzmannet}

A G

^{laonstantedeRihardson.}

En 1904 John Ambrose Fleming (18491945) étudie et eet et met au point une diode Diode

(dénommée

hh

valve

ii

)destinéeauredressementduourantalternatifetàladétetiondesondes

àhautefréquene[Fle-05℄.Ilintroduitdanssonbrevet[Fle-05℄lanotionde

hh

retiation

ii

du

ourant (transformation de ourant alternatif en ourantontinu pouvant être mesuré parles

Rihardson,puis Dushman,établissentla loiqui lieleourantde saturationàlatempé-

rature dulament. Irvin Langmuir(18811957)étudie larelation (valable seulementpour la

partieourbedelaaratéristique)entre

i P

^et

v P

^.

En 1906 Lee de Forest (18731961)a l'idée d'ajouter une troisième életrode à la diode Triode

pour maîtriser le ourant d'életrons irulant entre la athode et l'anode [For-13℄. La triode

(

hh

lampeaudion

ii

)estnéeet,aveelle,l'èredel'életronique.

WalterShottky(18861976)réelapremièretétrodeen1915enajoutantenoreunegrille Tétrodeetpentode

àlatriode.Lapentodeetlesautreslampesmultigrillesapparaissentdanslesannéesquisuivent.

Parailleurs,laformedeslampesévoluedel'ampoulesphériqueouovaleverselled'untube

ylindrique,mieux adaptéàlafabriationensérie.

4.5.3.2 Utilisation deslampeséletroniques pour lesiruits ombinatoires

L'idéed'utiliserleslampeséletroniquespourréaliserdesiruitsombinatoiresestdueindé-

pendammentàl'allemandHelmutShreyeretàl'amériainJohnAtanasoffmais'estave

l'ENIACqu'elleonnaîtrasonpremiersuès.

KonradZuseonstruitdesalulateursàpartirdesannées1936,enAllemagne,qu'ilappellera Shreyer

plus tard Z1, Z2, Z3 et Z4. Nous le retrouverons plus tard à propos de la première mahine

ontrlée par ruban perforé mais il ne nous intéresse pas pour lui-même ii. La mahine Z1

est méanique, lamahine Z2 utilisedes relais,omme nous l'avonsdéjà vu. Zuse demande à

Shreyer,thésardàetteépoque,detesterlesprinipesdelamahineZ2surunpetitmodèle.

Shreyeral'idéed'utiliserdestubeséletroniquesaulieu derelaiset montre samahineàla

Tehnial UniversitydeBerlinen1938.Zusen'utilisepaslestubeséletroniquesdanslaversion

naledelamahinearilluiestimpossible,dansleontextedepré-guerredel'époque,d'obtenir

les1000tubesnéessairesàlamahineomplète.Shreyer ontinueependantàs'intéresser

auxtubeséletroniques,onstruitquelquesiruitsexpérimentauxetutilisesonexpérienepour

sathèse soutenueen 1941, intitulée Le relais àtube et lestehniques de ommutation [Sh-41℄

maisonnepossèdepasbeauoup plusdedétails.

JohnV. Atanasoffhérite desapassionpourlessienesdesonpère,ingénieur életriien Atanasoff

émigré aux États-Unis à la n des années 1880. Il vit en Floride, où son père travaille dans

uneminedephosphateprèsdeLakeland.Atanasoffveutétudierlaphysiquethéoriquemaisle

programmedel'universitédeFlorideàGainesvillen'estpaspartiulièrementbonàetteépoque,

aussi seréoriente-t-ilversle génie életrique. Ilsuit ensuite un master en physique àl'univer-

sité d'état de l'Iowa puis un dotorat à l'université du Wisonsin à Madison. Sa thèse porte

sur les propriétés életriquesde l'hélium; il passe alors dessemaines àrésoudre des équations

aveunalulateurdebureau.Ildevientassistantprofesseurenmathématiqueset enphysique

àl'universitéd'étatdel'Iowa.

Ildoiteetuerdenombreuxalulsmaissonintérêtpourlealuléletroniquesedéveloppe

seulementpetitàpetit. En1937ilaunebonneidéedutypedemahine qu'ilveutonstruireet

ilendonnetouslesdétailsdanslesdeuxannéesqui suivent.Surlabase deeprojet,ilobtient

650 $ de l'université d'état de l'Iowa l'été 1939. En août ou septembre il embauhe Cliord

Berryetilsréalisentensembleunprototypeunoudeuxmoisplustard,pouvantadditionneret

soustrairedesnombresbinairesdeseize bits.C'est lepremieralulateuràtubeséletroniques

del'histoire.

C'est la partie qui nous intéresse ii. Cependant Atanasoff érit un projet détaillé l'été

1940[Ata-40℄,demandant5000$.Ilreçoit1500$del'universitéd'étatdel'Iowa,puisd'autres

ressoures.AtanasoffetBerryonstruisentleurnouvellemahineauprintemps1942,appelée

unpeuplustardABCpourAtanasoBerry Computer.

Figure4.31Fig.1de[Ata-40℄

életronique.Leshémaéletroniqueestdonné.Nousn'ensommespasenoreàl'abstrationdes

iruits ombinatoires ave des portes. La gure 4.32 nous donne la table orrespondant à e

iruit: B,D, Eet A,Correspondentauxpointsainsidénomméssurlagure4.31;Hsignie

Higher voltageet LLowest voltage;Hest donreprésentépar0et Lpar1(nouspréférerionsle

ontrairedenosjours).LaolonneAdditionorrespondàequ'onappelledenosjoursunétage

d'additionneur.

Figure 4.32Tabledans [Ata-40℄

Nousvenonsdevoirquenonseulementlespremiersiruitsombinatoiresréalisésàl'aidede ENIAC

tubeséletroniquessontonçus en 1937, maiségalementdes alulateurséletroniquesexpéri-

mentauxomplets.Cependantlapremièreréalisationàonnaîtreunvéritablesuèsestl'ENIAC

(voirleture1).

4.5.4 Les iruits à transistors

L'ENIAC est une réalisationmilitaire et reste en tant que telle serète jusqu'à la nde la

SeondeGuerremondiale.Lesalulateurssuivantssontpresquetouséletroniques.Cependant

lesalulateursàlampeséletroniquessonttrèsenombrantsetladuréedeviedehaquelampe

trèsourte.Onreherhedonune miniaturisationet uneabilitéarues.

4.5.4.1 Apparitiondes transistors

Letransistorestrééle23déembre1947auxlaboratoiresBellparJohnBardeenetWalter

Brattain : il s'agit du transistor à pointe, diile àdéployer de façon industrielle. En 1951,

William Shokley améliore elui-ien réantle transistorà jontion, ou transistor bipolaire,

quienpermetledéveloppementindustriel.

Un transistorseomporteommeunetriode:aulieud'uneathodeetd'uneanode,onaun

émetteuret unolleteur;aulieud'unegrille,onaune base.Ilspeuventdonservird'éléments

de ommutation, en pluspetits et enplus ables.Les onstruteursd'ordinateurss'intéressent

donàenouveauomposant.

4.5.4.2 Utilisation destransistors dans lesiruits ombinatoires

LessientiquesduDigitalComputer Lab.duMITtravaillentaveIBMenfévrier1956pour

développerunordinateur transistorisé.Celui-iest destiné àremplaer lesordinateurs àtubes

életroniquesduprojetSAGE(voirplusloin);ependantlesordinateursdee projetsontdéjà

enonstrutionetl'AirForenevoitpasderaisondelesremplaer.

Lespremiersordinateurstransistorisésapparaissentdonplustard,en1957et1958,produits

parUNIVACetPhiloCorporation([Aug-84℄,pp.229230).

4.5.5 Les iruits intégrés

4.5.5.1 Apparition desiruits intégrés

Lehapitre8de[Aug-84℄estunetrèsbonneintrodution,quenousnefaisonsquerésumerii, Lesbesoins

àl'étudedeseortsduDépartementdelaDéfenseamériain,quidépenseplusieursmillionsde

dollars,àpartirdudébutdesannées 1950,pourdesprogrammesdereherhedestinésàrendre

lesomposantséletroniquespluspetits,plusables,moinshersetplusfailesàonstruire.Cei

estdûaufaitquelesbombardiersB-29d'unepart,lesmissilesMinutemanensuite,ontiennent

del'életroniqueembarquée.

LeprojetTinkertoyommeneenseretauNationalBureauof Standardsàlademandedela ProjetTinkertoy

marineamériaine.Sonbutpremierestlastandardisationetnonpaslaminiaturisation:onveut

pouvoirremplaerrapidementdesmoduleséletroniquesompats,omposésd'élémentsdisrets

standardisés.Lesélémentsemployéssontdestubeséletroniques,pasenoredestransistors.De

toutesfaçons,leprojetprendnen1953surunéherelatif.

Quatre ansplustardRCA (Radio Corporation of Ameria), une des grandesentreprisesde PlanMiromodule

onstrution de tubes életroniques, fondée en1919, prend en harge le Plan Miromodule, -

nané parl'Army SignalCorps. On utiliseette fois destransistors, desrésistanes et d'autres

omposantssuruneplaqueenéramique.Leprojetprendnen1963,renduobsolèteparl'arrivée

desiruitsintégrés.

L'idéedesiruitsintégrésrevientaubritanniqueG.W.A.Dummer, qu'ilexprimedansun Idée

olloque sur les omposants életroniquestenu en mai 1952 à Washington en lisant unartile

intituléEletroni Components in GreatBritain:

Avel'arrivéedestransistorsetplusgénéralementlestravauxsurlessemi-ondu-

teurs,il semblemaintenantpossibled'envisager deséquipementséletroniquesonte-

nusdansunmêmeblosansonnexionspardesls.Leblopeutonsisterenouhes

de matériaux isolants, onduteurs, retiateurs et ampliateurs, les fontions é-

letriquesétantonnetéesdiretement enoupantdeszones desdiversesouhes.

[Dum-78℄,p.128

Rentré en Grande-Bretagne, Dummer essaye de mettre ses idées en pratique. Il présente un

prototypeenseptembre1957, àunongrèsàMalvern,maiselui-inefontionnepas.

Lepremierprototypedeiruitintégré(ils'agitd'unomposantfournissantunsignalàune PremierIC

fréquenedonnée,montré àlagure4.33)est onçu l'été 1958parJakKilby,ingénieurhez

TexasInstrument.D'autresprototypessuiventrapidement,yomprisunebasule,etunpremier

brevetest déposé le6février1959.Un moisplustardTexas Instrumentannoneèrementlors

d'un ongrèsindustrielàNew-York

hh

ledéveloppement d'uniruit solide semi-onduteur pas

plusgrandqu'unetêted'allumette

ii

.

L'invention de Kilby est une avanée extraordinaire mais présentant enore des inonvé-

nients: ommeonle voit sur lagure,lesdiérentesparties duiruitintégrésontreliéespar

deslssoudésàelles-i,equilimitelenombredepartiesetlaabilitédutout;ilfautonevoir

desélémentspassifs (desrésistanes etdesondensateurs)àpartirde semi-onduteurs;ilfaut

pouvoirisoler lesdiérentespartieslesunes desautres.

Kilbyrésout lesdeuxderniersproblèmesmaispaslepremier,e quien rendlaprodution

industriellediile.

Avantd'allerplusloinfaisonsdeuxdigressionssurl'évolutiondelatehnologiedestransistors.

Lestransistorsmesa

LesBell Labsinvententle transistor mesaàlandesannées 1950,fabriqué entrois phasesde

photolithographie,gravureetdiusion(dopanthimiquementlesemi-onduteuravedesimpu-

retés).Cependantletransistorestsujetàdesontaminationsetleslsdeonnexiononttendane

àsedétaher.

Jean Hoerni, physiienné en Suisse, résout le problème à latoute nde l'année 1958 en Lestransistorsplanaires

diusantleplateau surune tranhe desiliium(appelée wafer enanglaispuisplustardgalette

enfrançais).Lerésultatestuntransistortotalementplat.

RobertNoyerésoutlepremierproblèmeposéparlesiruitsintégrésdeKilbyenonevant ICplanaire

lesiruitsintégrésplanaires.

Il grandit à Grinnell dans l'Iowa. Major en physique du Grinnell College, il est initié à la

physique du solide par son professeur de physique, Grant Gale. Celui-i, après avoir lu un

artile sur l'inventiondu transistor dans unjournal l'été 1948, demande àJohn Bardeen de

lui enenvoyerquelques exemplaires pour sesétudiants.Il devient ami avelui. Noye déide

desespéialiserenphysiquedusolideet vaauMIToù,àsagrandesurprise, peudepersonnes

ont entendu parler de transistor. Il soutient sa thèse en 1953 et va travailler hez Philo, à

Philadelphie, qui a ouvert un département semi-onduteur. Mais il trouve que les dirigeants

de etteentreprise nesontpasintéressés par desreherhesavanées. IlvadonhezShokley

SemiondutorLaboratory,petiteentrepriserééeparl'undeso-inventeursdutransistor,situéeà

MountainViewenCalifornie.IlyrenontreJeanHoerni.Brillantherheur,WilliamShokley

était loin d'être un gestionnaire et un meneur d'hommes; de plus il avait le sentiment d'une

onspiration ontre lui. L'été 1957, Noye, Hoerni et six autres sientiques et ingénieurs

quittentl'entreprisepourréer Fairhild Semiondutor àPaloAlto, nanéparThe Fairhild

Camera&InstrumentCorporationdeNew-York.C'estlaseondeentreprisedesemi-onduteurs,

aprèselledeWilliamShokley,deequiseraappeléeplustardlaSilion Valley.

Contrairementà Shokley Semiondutor Laboratory, Fairhild Semiondutor se onentre

surlestransistorsausiliium,etnonplusaugermanium.

KurtLehove,direteurdereherhedelaSpragueEletriCompanysituéeàNorthAdams

dans le Massahusetts, physiien né en Théquie et immigré aux États-Unis après la Seonde

GuerreMondiale,résoutleproblèmedel'isolation életriquedesomposantsl'unparrapportà

l'autregrâeàunejontionpnqui nepermet àl'életriité qued'allerdansunesens.Ilonçoit

uniruitintégréamélioranteluideKilbyet obtientunbrevetle22avril1959.

RobertNoyepenseauiruitintégréplanairedèsjanvier1959etdéposeunbrevetsixmois

plustard.

En1961FairhildetTexasInstrumentommerialisentlespremiersiruitsintégrésproduits Commerialisation

defaçonindustrielle.Texas Instrumentpropose desportes logiquesORet NOR.Un iruitin-

tégrévautalors50 $parlot demille, ledouble enpetitequantité. Au début, seulesladéfense

etlaNASApeuvents'enorir(pourlesordinateursdeborddelaapsuleGemini).

On peut résumer l'invention des iruits intégrés de la façon indiquée dans le tableau i-

dessous:

19501953 ProjetTinkertoy NationalBureauofStandards

19571963 PlanMiromodule RCA

1952 Idéedesiruitsintégrés G.W.A. Dummer

1958 Premieriruitintégré JakKilby

Janvier1959 Transistorplat JeanHoerni

Avril1959 Isolationparjontionpn KurtLehove

Fin1959 Premieriruitintégréplanaire RobertNoye

1961 Produtionindustrielle FairhildetTewasInstrument

4.5.5.2 Utilisationdes iruits intégrésomme iruits de ommutation

Au début, lesiruitsintégréspermettentde réaliseràlafoisdesiruitsd'ampliation et

desiruitsdeommutation.

L'industrieinformatiqueestégalementintéresséemaisilfautd'abordépongerlepassagedes

tubes életroniquesaux transistors.La oneption des ordinateurs utilisant des transistors ne

onduitpasàdesméthodesvraimentnouvellespuisquelestubesetlestransistorsontlesmêmes

fontionnalités. Iln'en estplusde même ave lesiruitsintégrés:il fauttout revoirdepuisle

début.C'est pourelaquelesiruitsintégrésseront,dansunepremièreétape,utilisésdansun

module indépendant,àsavoirlamémoirevive,étapesurlaquelle nousreviendronsàsonheure.

Lesiruitsintégrésentantqueiruitsombinatoiresapparaissentdansdespartiesdedeux

ordinateursde taille moyennedeBurroughsen 1966(leB2500et leB3500).Lespremiersordi-

nateursomposésentièrementdeiruitsintégréssontleCDC 7600deControl Dataetlasérie

CenturydeNCRen1968.IBMlesutiliseavesasérieSystem/370audébut desannées 1970.

4.5.6 Leture : l'ENIAC

En 1917,OswaldVeblen, d'originenorvégienneet professeurdemathématiquesàl'Institut Labalistique

des études avanées (Institute for Advaned Studies) de Prineton, abandonne provisoirement

son enseignement, du fait de l'entrée en guerre, pour diriger la setion

hh

Mathématiques

ii

duCentre balistiquede SandyHook.Grâeauxliens tissésave d'innombrablesuniversitaires,

Veblen onstitue une équipe de très haut niveau.Ce groupe fait de labalistique une siene

physique àpartentière :les règlesd'observationsontrationnalisées,lesméthodes dealul af-

nées,leséquationsdiérentiellesdemouvementorretementformuléeset lesproédurespour

larésolutiondeeséquationsdénies.

Compte tenu de l'importane roissante des reherhesdans le domainede la balistique,le LeBRL

Département du matériel de l'US Army(Army's Ordnane Department) se dote en 1935 d'un

servie de reherhe spéialisé. Celui-idevient en 1938 le Laboratoire de reherhebalistique

(Ballisti Researh Laboratory,BRL)et s'installeàAbeerden dansl'étatduMaryland. Sono-

mitédireteur est onstituédedeux ivilset detrois militaires.Ledireteur sientique enest

OswaldVeblen.

Comme nousl'avons vu i-dessus,VannevarBushmet aupoint en 1930sonanalyseur dif- L'Analyseur

férentiel. Celui-i intéresse à la fois les mathématiiens de l'université de Pennsylvanie et les

diérentiel

militairesduBRL.Bushexploiteetteommunautéd'intérêtsetsusitedesrenontresentreles

responsablesdesdeuxorganismes.Ilestonvenuquel'éoleMoored'ingénierieéletrique(fondée

en1926àl'universitédePennsylvanie)etleCentredebalistiqued'Aberdeenonstruironthaun

unexemplaire de l'analyseurBush. Ces mahines jumellesdoivent permettre auxdeux entres

d'unir,éventuellement,leurseorts.Un aorden esensest onluverslande1934et,une

vingtainedemoisplustard,lesdeuxalulateurssontahevés.

L'une desativitésprinipales duBRL est lealul des tables de tir.Les tables detir per- Caluldesbesoins

mettent derégler l'anglede tir enfontionde nombreux fateurs(typede projetile,situation

de la ible, vitesse du vent, température, et.). Ces tables sont longues et diiles à établir

mêmesi onne onsidèrequedeux fateurs(portéeduprojetileet altitudede laible):il faut

alulerentre 2000et4000trajetoirespossiblespourhaqueoupleprojetileanon;haque

trajetoireexige750multipliationsde10hires.

En1935leolonelHermannH.ZornigprendlatêteduLaboratoiredereherhesbalistiques

d'Aberdeen. Lui et sesollaborateursherhentà estimer la harge de travailreprésentée par

100000 multipliationspourles mahines életroméaniques existantes. Ave lemultipliateur

IBMalors ommerialisé,il faut septseondesparmultipliation. À raisonde 86400seondes

parjournée,100000multipliationsreprésententhuitjoursontinusdetravail.Pourréaliserune

expérimentation omplète, onsistant en 75 hypothèses possibles, les aluls doivent durer six

entsjours,soitvingtmois!

En1940,lorsqueleprésidentRooseveltaprogressivementinstituéunétatd'urgenenatio-

nal,leolonelZornigdéidedereenseret,sipossible,des'assurerdeladisponibilitédetoutle

potentieldealuldeette régiondesÉtats-Unis.Àl'universitédePennsylvanie,touteprohe,

il obtient du doyen Harold Pender et du Pr J. Grist Brainerd l'assurane que l'analyseur

diérentieldel'universitéseramis auserviedesonorganismeenasdenéessitémilitaire.

En1941,leolonelLeslieE.SimonprendlasuitedeZornigàlatêteduCentred'Aberdeen.

AvesonadjointPaulN.Gillon,ilonsolidelesliensexistantentreleCentreBalistique,l'Éole

Moore et IBM. Cette rme livre dans les deux mois qui suivent deux alulateurs életromé-

aniquesspéiaux,

hh

dopés

ii

pouraméliorerleursperformanes.PuisSimonetGillonrappel-

lentlemathématiienexeptionnelde1917,OswaldVeblen,etluiorentlerlede

hh

onseiller

sientique enhef

ii

. Levieux professeur(soixante-troisans)quitteune seondefois sahaire

1917,rerutentseptjeunesmathématiiens, huitphysiienset deuxastronomes;ilsomplétent

l'équipeaveunollèguedeVeblen àl'IAS, MarstonMorse,etsuggérentommeonseillerà

tempspartielunmathématiienhongroisfraîhementnaturalisé,JohannesvonNeumann.

En 1942,les États-Unisentrenten guerre. Onserend ompte très vite àAberdeen queles

analyseursdiérentielssontinapablesdetenirlaadenedetravailattendued'eux.Quantaux

mahinesIBM,ellesgrignotentàpeinelapiledestablesàétablir.

Il faut se résoudre àoner une partie des travaux àde jeunes diplmés,hommes et,plus

souvent, femmes, pourvus de mahines à aluler manuelles. Mais, là enore, on manque de

personnelompétentennombresusant.Ilest déidéqu'uneannexeduLaboratoirebalistique

(omputing substation) sera établie hors de l'eneinte militaire du polygone, dans les loaux

de l'Éole Moore. Un programme prioritaire de formation de ivils requis est instauré : sous

la diretion du professeur Chambers, trois jeunes mathématiiennes, Adele K. Goldstine,

MildredKramer et MaryMauhly, organisentlererutementet laformationd'une entaine

dejeunesllesoudejeunes femmes(leshommessontmobilisés),puislesmettentautravailsur

desmahinesàalulerdebureauréquisitionnées.

Dans le même temps, on herhe omment améliorer la produtivité des deux analyseurs

différentiels.C. Weygandt,de l'ÉoleMoore, animees reherhes.Danssa petiteéquipe,J.

PresperEkertsefaitremarquerparsesqualitésd'imaginationetsonespritpratique.Lesmo-

diationsqu'ilsuggèreonduisentàuneaméliorationrelativedesperformanes,maisonrment

leslimitationsinhérentes àlatehnologieanalogique.

Dès 1943, lademande en tables de tir s'aroîtdangereusement : laonstrution deguides

pourlestirsdeDCAontplusieursmoisderetard.Àl'été1944lasituationdevientsansespoir:

leBRLproduitquinzetablesparsemainealorsquelademandeestdequarante.

JohnMauhly(prononerMauk-li),néàCininnatile30août1907,est lelsdudireteur JohnMauhly

du département de Magnétisme terrestre de la Carnegie Institution, dans le Maryland. Après

desétudesàl'universitéJohn-Hopkinsoùilobtienten1932undotoratdephysique,ils'oriente

d'abordverslaspetrosopiemoléulaire et passeune année àJohn-Hopkins ommeherheur

assoié, travaillant pendant des heures sur un spetrosope, puis exploitant péniblement ses

observationsàl'aided'unemahine àalulerdebureau.

Fin 1932, en pleine dépression des États-Unis, il herhe un emploi. Iltrouveun poste de

professeuradjoint de physique à Ursinus College, établissementprivé situé à40 kilomètres de

Philadelphie.Ily restehuit annéesqu'il trouveamères: Ursinusne disposepas d'équipements

sientiques omparables à eux de John-Hopkins. Il doit renoner à la spetrographie pour

s'orienterverslesstatistiquesetlamétéorologie,deuxativitésquileonduisentàsepréouper

demoyensdealulrapide.

Mauhly pensequ'ilestpossibled'améliorerlapréisiondesprévisionsmétéorologiquesen

pratiquantdesanalysesstatistiquessystématiques.Avel'aorddelaNationalYouthAdminis-

tration,organismerééparleNewDealdeRooseveltpouraideràl'emploidesjeunesdés÷uvrés

durantladépression,Mauhlysefaitdétaherunedouzained'étudiants.Ilentreprenddeleur

fairedépouiller touteslesobservationsatmosphériques détenuesàlaCarnegieInstitution, pour

essayer,statistiquement,d'établiruneorrélationavel'ativitésolaire.Ilestviteévidentqu'un

teltravail,exéutémanuellement,n'aboutirajamais.

Le jeune professeur a entendu parler des dispositifs életroniques de omptage rapide des

rayonnementsosmiquesmisaupointpardesherheursanglais.Desiruitssimilairespeuvent-

ilsêtreutilisésdansunesortedealulateurultra-rapide?Ilbriolequelquesiruitssimpleset

onlut qu'ilyalà unevoie possible.Aussi, le28déembre1940, lorsd'une onférenesurles

méthodes statistiquesen météorologiefaitedevant l'Assoiation amériainepourle développe-

mentdessienes,àPhiladelphie,Mauhlyévoquelespossibilitésoertesparl'életroniqueen

Atanasoffsetrouvedansl'assistane.À landelaséane,il vatrouverleonférenier,se

présente,déritlesgrandeslignesdesonmodèleexpérimentaletinviteMauhlyàveniràAmes,

en Iowa,pourvoir samahine. Les deux hommesrestent enorrespondanejusqu'à e que,le

14 juin 1941, Mauhly serendeà Ames, oùil passe inq jours hezAtanasoff. L'inventeur

emmène son hte dans son laboratoire, lui explique les prinipesde son alulateur enoreen

onstrutionetluiommuniqueletextedesonmémoire[Ata-40℄.

Mauhlyonstruitplusieursdispositifsexpérimentauxmaisserendomptequ'illuimanque

deux atoutsmaîtres :desolidesonnaissanes enéletroniqueappliquéeet surtoutde l'argent.

Au début de juin 1941 il s'insrit à un ours d'été de six semaines dispensé par l'université

de Pennsylvanie. En eet, dans la perspetived'une guerre prohaine, l'arméedes États-Unis

a déidé de parrainer des ours de formation aélérée (Emergeny Siene and Management

Defense Training Course) dans le but d'orienter des ingénieurs, des enseignants et des adres

de l'industrieque l'on pourra,par lasuite, aeter àdes fontionsmilitaires ouàdes emplois

danslesindustriesdedéfense.Sademanded'insriptionestaeptéeet ilpeutsuivrelasession

ommençant le23 juin 1941. Ilpasse de longues heuresàdisuterd'életronique ave l'undes

jeunes instruteursdelaMooreSholl,J. Prespert Ekert. Àl'issue de estage,lesrésultats

de Mauhlysontsi satisfaisantsquela Moore Shool, qui aplusieurspostesvaants,luiore

unontratd'instruteuràpartirdeseptembre.

J.P.Ekertappartientàunefamilledegrandspromoteursimmobiliersétabisdanslarégion J.P. Ekert

de Philadelphie.Dès l'âge de huit ans, l'enfant montre desdons étonnantspourl'életriité et

laradio :il monte sonpremierréepteuràgalènesur lebout d'unrayon,dans l'emplaement

prévu pour la gomme; à douze ans, il fabrique un modèle réduit de bâteau téléommandé et

briole un réepteur radio à deux lampes; à quatorze ans, il réalise des haut-parleurs et une

haînemusialepourlalassedesolfègedesonollège.

Ekerts'insritàl'universitédePennsylvanie,àPhiladelphie.L'environnementest propie

àsapassionpourl'életronique:danslesannées qui préèdentlaSeonde Guerremondiale, la

régiondePhiladelphieestleentredegravitédel'industrieéletriqueetéletroniqueamériaine.

Lapremièrestationdetélévisionyestrééeet,justeavantlaguerre,Ekertpeutaheterl'un

despremiersréepteursexpérimentaux,onstruitsparRCAetvendus60dollars.

Ekertserévèlel'undes plusbrillantsétudiantsdelaMoore Shool. Pendantlesvaanes

d'été, il intervient omme onseiller auprèsde rmes industrielles oud'utilisateurs d'appareils

életriquesouéletroniques.

NousavonsvuqueMauhlyetEkertsesontrenontréslorsd'unoursd'étéàlaMoore Letandem

Shool.Malgréleurdiérened'âge(douzeans),ilsselientd'uneamitiésolide.Mauhlyessaie

d'intéresserlesdireteursdelaMooreShoolàsesprojetsdealulparl'életronique,maisnulle

réationfavorablenevientl'enourager.Ekert,trèssolliitéparlesproblèmesonretsd'appa-

reilsindustriels,deradiooudetélévision, nesesentnullementattiréparlealulautomatique

à grande vitesse mais il répond à Mauhly qu'une telle réalisation est possible : il sait par

expérienequel'objetionessentielledel'époque,àsavoirqueleslampesàvidesonttropfragiles,

tombelorsqu'ononçoitdesiruitsévitantdepousserleslampesàleurpleine puissane.Féru

demusique etd'orgues életroniques,ilpossédel'undesNovahordà170lampesfabriquéspar

l'Hammond Organ Company, dontla vieparaît garantielorsque leslampestravaillentàmoins

de80%deleurtensionmaximum.

Début1942,onnaissantgrâeàsafemmeMary,instrutrieàl'annexeduBRL,lasituation

diile desmilitairesd'Aberdeen,Mauhlyomprendqu'ilpeutêtrepossibledelesamenerà

jouerlesmaîtres d'÷uvresd'unalulateur.

Établissantlasynthèsedetoutequ'ilaapprisauoursdesesexpérimentationspersonnelles,

desinformationsreueilliesauprèsd'Atanasoff,desavisd'Ekertetd'autressientiquesde

unalulateurdéimaléletronique:The use of high speedvauum tubedevies for alulating

[Mau-42℄, inqpagesditéeset datylographiéesenaoût1942.Sansentrerdanslesdétailsteh-

niques, Mauhly explique qu'ilreposeraentièrementsur desomposantséletroniqueset tra-

vaillera ave un yle de 100 000 impulsions par seonde. Ave la possibilité d'exéuter 1 000

multipliationsparseonde,lealuld'unetrajetoirepourraitsefaireenentseondesaulieu

des15à30minutesnéessairesavel'analyseurdiérentiel.

L'originaldeemémorandumestadresséàJ.G.Brainerd,membreduConseildel'université

dePennsylvaniequi négoietouslesontratsonlusentre l'université et legouvernement.Un

papillon attahéàl'originaldemande que etexte soit reproduit et quedesexemplaires soient

adressésauxpersonnes suseptiblesd'être intéressées.Mauhlyneonserveauundouble; sa

serétaireseborneàlasserlesfeuilletssténoprissoussaditée.

Brainerd l'annote :

hh

Intéressant. Il est possible que le manque de main d'÷uvre puisse justieruntravaildedéveloppementdeegenredansunavenirassezprohe

ii

.Puisledoument estlassé,sansêtrereproduitniavoirfaitl'objetd'uneirulationquelonque.Onneleretrouvera

danslesdossiersdeBrainerdqu'unevingtained'annéeplustard.

HermanHeineGoldstine,ls d'unavoatisraélite,estnéàChiagole13septembre1913. Goldstine

En 1929, insrit àl'université de saville natale, il prend les mathématiques ommedisipline

prinipale.Doteuren1936,d'abordassistantdereherhesàChiago,ilpasseensuiteàl'univer-

sitéduMihiganommeprofesseuradjointde mathématiques. En1941, ilépouseAdeleKatz,

elle-mêmemathématiienne.

L'annéesuivante,Goldstineestmobiliséommelieutenant,rattahéàl'OrdnaneDept.de

l'U.S. Armyet aetéau Centre balistiqueduMaryland. En raisonde saformationmathéma-

tique, il est hargéde trouverlesmeilleurs moyens d'aélérerl'établissementdes tables detir

néessairesàl'armée.

En mars1943, alorsquelasituation paraîtdeplusen plusdésespéréeauBallisti Researh

Laboratory, le jeune lieutenant eetue l'une de ses visites périodiques au Centre annexe de

alul.Cematin-là,Goldstineéhangequelquesphrasesavelejeunehommehargéd'assurer

lamaintenanedel'analyseurdiérentiel.Ilseplaintdelalenteurdel'avanementdesaluls.

JoeChaliapine,son interlouteur,aété l'élèvede Mauhly àUrsinus Collegeet onnaîtles

projetsde sonanienprofesseur:

hh

Je onnais quelqu'unqui peut vous permettre d'aller mille foisplusvite.Si çavous intéresse, allezdon voir M.JohnMauhly,àl'étage au-dessus

ii

.

Abasourdi, Goldstine se préipite dans le bureaude Mauhly. Celui-i onrmel'infor-

mation,déritlesgrandeslignesdesonprojetet lesperformanesprévisibles.

hh

Rédigezvite un

mémoire

ii

,demandeGoldstine.

Mauhlyrépliqueque'estfaitdepuisplusieursmoisetqueledoumentsetrouvedansles

mainsdeJ.G.Brainerd.LelieutenantrendvisiteàBrainerdquisesouvientdutexte,mais

estinapabledeleretrouver.Mauhly,informé,délarequ'ilnepossèdepasdedouble.Ilfaut

reonstituerlemémoradum,àpartirdesnotesonservéesparlasérétaire.LorsqueGoldstine

peutennlirelesinqfeuillets,ilprendl'initiativededemanderàlaMooreShooldesoumettre

auplusttune propositionderéalisationplusdétaillée.

AussittlarequêteformuléeparlelieutenantGoldstine,Brainerd,EkertetMauhly Proposition

seréunissentpourdéterminerexatementequelapropositiondemandéeàl'arméedoitontenir.

Ekert et Mauhly préparent les hapitres tehniques sous leurs deux volets : életronique

et mathématique; Brainerd rédige l'introdution et l'exposé général. Devant l'ampleur dela

réalisationéletronique,Brainerdet Mauhlyinsistentpourobtenirunepartiipationtotale

d'Ekertqui,jusque-là,s'enest tenuàunrledeonseillerdilettante.

Un premier texte, ahevé le 2 avril, est aussitt remis en hantier pour être amélioré. Un

rendez-vousentrelesuniversitairesetlesmilitairesest onvenupourle9avril.