Chapitres 3. Booléens, portes et circuits logiques
Séance 1. Portes logiques
- Document élève
- Diaporama 1. Découverte des portes logiques
- Diaporama 2. Nomenclature des portes logiques
- Portes logiques hydroliques en vidéo
Séance 2. Expressions booléennes
Séance 3. Circuits logiques
Méthode. Déterminer la table de vérité d’un circuit logique
Activité. Additionneurs
Séance 4. TP. Construire des circuits logiques
Pour aller plus loin
Un peu d’histoire
Les premiers ordinateurs avaient la taille d’une pièce et pesaient plusieurs dizaines de tonnes (par exemple l’ENIAC en 1945, le premier ordinateur entièrement électronique, pesait 30 tonnes et occupait une pièce de 163 \text{m}^2). Les circuits logiques de ces premiers ordinateurs reposaient sur des tubes à vide encombrants, extrêmement gourmands en énergie, et peu fiables.
Le développement des transistors et en particuliers l’apparition sur le marché des transistors à effet de champs (MOS-FET) dans les années 1960 ont permis une miniaturation progressive des circuits logiques. Cette miniaturation a permis dans les années 1970 l’avénement de la microinformatique avec la production de masse de circuits intégrés (puces de silicum).
Le premier microprocesseur commercialisé à grande échelle, l’Intel 4004, fut mis sur le marché en 1971. Il comptait 2 300 transistors et offrait des performances comparables à l’ENIAC. Il était commercialisé dans un circuit intégré contenant une puce de silicium d’une surface de seulement 10 \text{ mm}^2. La taille de ses transistors était de l’ordre de 10 \mu mètres (7 fois plus petit q’un cheveux humain).
Voici boitier 16 broches qui le contenait (2 cm de long)
On distingue la puce à l’intérieur du boitier après la destruction de son couvercle (un rectangle de silicium d’environ de 3 \times 4 mm):
En voici une photographie au microscope optique qui permet de distinguer la complexité de ses circuits logiques :
Observation au microscope en lumière polarisée
Visualiser le diagramme de ses circuits électronique
On voit sur cette photo le 4004 sur la carte électronique d’une calculatrice de bureau haut-de-gamme Busicom 141-PF. Cette calculatrice, la première à intégrer un microprocesseur, est le projet qui poussa Intel à développer son premier microprocesseur en 1969.
Ci-dessous la calculatrice en question :
La microinformatique a connu ensuite un développement fulgurant ces dernières 50 ans avec un doublement tous les 2 ans du nombre de transitors par puce et une diminution de leur taille. Ce phénomène impressionnant, prédit dès 1965 par Gordon E. Moore (le cofondateur de l’entreprise Intel en 1968) est nommé en son honneur loi de Moore.
En 50 ans, la densité des transitors sur une puce de silicium a été multipliée par 1 000 et le nombre de transistors par puce par un million ! Ainsi, le processeur Intel 8086, le premier processeur de la lignée x86 commercialisé en 1978, comptait 30 000 transistors. La puce A18, SOC équipant l’iPhone 16 commercialisé en 2024, en compte plus de 20 milliards ! En conséquence, les machines électroniques sont devenues de plus en plus petites et de moins en moins coûteuses tout en devenant de plus en plus rapides et puissantes.
La loi de Moore de 1970-2020 en graphique.
Amélioration des transistors (frise chronologique)
La taille des transistors s’étant aujourd’hui réduite à quelques nanomètres (échelle de quelques dizaines d’atomes), la miniaturation risque d’atteindre un mur physique : à cette échelle, des phénomènes quantiques pourraient perturber le bon fonctionnement des circuits logiques. La loi de Moore va-t-elle être invalidée dans les années à venir ou va-t-on voir apparaître une technologie novatrice ?
Pour les curieux et curieuses :
- Visualisation au microscope d’un SOC d’iPhone (attention au vertige !) vidéo (1 min 30 s)
- Histoire et principes des circuits intégrés vidéo de vulgarisation (24 minutes)
- Les étapes de production d’un circuit intégré moderne vidéo avec animations, anglais sous-titré
- le simulateur du célèbre processeur MOS Technology 6502 (1975)