Chapitre 2

Le matériel des premiers ordinateurs (1950-1960)

La décennie entre 1950 et 1960 marque le passage de la théorie à la pratique, avec la construction et la commercialisation des premiers ordinateurs électroniques. Ces machines pionnières, bien qu’énormes et dotées de capacités informatiques limitées par rapport aux normes actuelles, représentaient un saut technologique historique. Dans ce chapitre, nous explorerons les principales technologies matérielles qui ont caractérisé cette première phase, des tubes à vide aux premiers systèmes de mémoire et dispositifs d'entrée/sortie.

2.1 Valves thermoioniques :
Le cœur électronique des premiers ordinateurs

Les premiers ordinateurs électroniques, tels que l'ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer), utilisaient des tubes à vide (ou tubes à vide) comme composants électroniques clés pour le traitement et le stockage des informations. Un tube à vide est un appareil électronique sous vide contenant un filament chauffé (cathode) qui émet des électrons. Ces électrons sont attirés vers une électrode chargée positivement (anode), et le flux d'électrons peut être contrôlé par une grille placée entre la cathode et l'anode.

Les tubes à vide pourraient remplir plusieurs fonctions cruciales dans les circuits électroniques informatiques :

Commutateurs : Utilisés pour mettre en œuvre les opérations logiques fondamentales (ET, OU, NON) nécessaires au traitement numérique. La présence ou l'absence de tension sur le réseau pourrait contrôler le flux de courant entre la cathode et l'anode, agissant comme un interrupteur électronique.
Amplificateurs : Capables d'augmenter l'amplitude d'un signal électrique, une fonction essentielle pour maintenir l'intégrité des signaux dans des circuits informatiques complexes.

L'utilisation de vannes thermoioniques a permis d'atteindre des vitesses de calcul significativement plus élevées par rapport aux calculateurs électromécaniques à relais précédents. Cependant, cette technologie présentait également plusieurs limites importantes :

Taille et poids : Les vannes étaient physiquement volumineuses, et un ordinateur comme l'ENIAC, qui contenait environ 18 000 vannes, occupait une pièce entière et pesait plusieurs tonnes.
Consommation d'énergie : Les vannes nécessitaient une quantité importante d'énergie électrique pour chauffer le filament, générant de grandes quantités de chaleur. L'ENIAC, par exemple, consommait environ 150 kW d'énergie.
Fiabilité : Les valves étaient fragiles et avaient une durée de vie limitée. La défaillance d’une seule vanne pouvait arrêter l’ensemble du système, et les premiers ordinateurs étaient sujets à de fréquents dysfonctionnements. Le remplacement des vannes était une opération complexe et longue.
Coût : La production et l'utilisation d'un grand nombre de tubes ont rendu les premiers ordinateurs extrêmement coûteux.

Malgré ces limitations, les tubes à vide représentaient la technologie dominante pour la construction d'ordinateurs électroniques au cours des années 1940 et 1950, ouvrant la voie à de nouvelles possibilités dans le domaine de l'informatique automatique.

2.2 Les premiers systèmes de mémoire :
Du stockage électronique au stockage magnétique

La capacité de stocker des informations (à la fois des données et des instructions) de manière rapide et fiable était une exigence fondamentale pour le fonctionnement des ordinateurs. Dans les premières années de l'informatique, plusieurs technologies ont été développées pour créer de la mémoire :

Williams Tubes : Développés à l'Université de Manchester par Freddie Williams et Tom Kilburn, les Williams Tubes ont été l'une des premières formes de mémoire vive (RAM). Ils étaient basés sur l’utilisation d’un tube cathodique (CRT), similaire à ceux utilisés dans les téléviseurs plus anciens. Les informations étaient stockées sous forme de charge électrostatique à la surface du tube. Un faisceau d'électrons était utilisé pour écrire (« déposer ») ou lire (« détecter ») la charge. La présence ou l'absence de charge à un endroit précis représentait un peu d'information. Les tubes Williams offraient des temps d'accès relativement rapides pour l'époque, mais avaient une capacité limitée (généralement quelques centaines de bits) et la charge avait tendance à se dissiper rapidement, nécessitant un « rafraîchissement » périodique.
Mémoire à tambour magnétique : Une autre technologie de mémoire ancienne et largement utilisée était la mémoire à tambour magnétique. Il s'agissait d'un cylindre métallique rotatif recouvert d'un matériau ferromagnétique.

Les informations étaient enregistrées et lues par des têtes magnétiques fixes positionnées près de la surface du tambour. Chaque piste circulaire du tambour pouvait stocker une séquence de bits. Pour accéder à des informations spécifiques, il fallait attendre que la bonne partie du tambour tourne jusqu'à ce qu'elle atteigne la tête de lecture/écriture. Les mémoires à tambour magnétique offraient une plus grande capacité que les tubes Williams (jusqu'à des dizaines de milliers de bits), mais avaient des temps d'accès nettement plus lents en raison de la nécessité d'attendre que le tambour tourne mécaniquement. Ils étaient utilisés comme mémoire principale ou comme mémoire secondaire (de masse) dans les premiers ordinateurs.

Lignes à retard au mercure : Utilisées dans l'EDVAC et d'autres premiers ordinateurs, les lignes à retard au mercure stockaient les données sous forme d'impulsions sonores qui se propageaient à travers un tube rempli de mercure. Un transducteur situé à une extrémité du tube convertissait les impulsions électriques en ondes sonores, qui traversaient le mercure et étaient reconverties en impulsions électriques à l'autre extrémité. La vitesse de propagation du son dans le mercure déterminait le temps de retard, et les données pouvaient être « recirculées » à travers le tube pour être stockées. Les lignes à retard Mercury offraient une plus grande capacité que les tubes Williams, mais étaient sensibles aux changements de température et avaient des temps d'accès séquentiels.
Mémoire à noyau de ferrite (mémoire à noyau magnétique) : Vers la fin des années 1950, une technologie de mémoire plus fiable et plus performante a émergé : la mémoire à noyau de ferrite. Il s'agissait d'une grille de petits anneaux (noyaux) de matériau ferromagnétique. Chaque noyau pouvait être magnétisé dans deux directions opposées, représentant les valeurs binaires 0 et 1.

Les noyaux étaient traversés par des fils conducteurs qui permettaient d'écrire et de lire l'état d'aimantation. La mémoire à noyau de ferrite offrait des temps d'accès plus rapides et une plus grande fiabilité que les technologies précédentes et est devenue la technologie de mémoire principale dominante pour les ordinateurs dans les années 1960 et 1970.

2.3 L'architecture des premiers mainframes :
ENIAC et UNIVAC I

Les premiers ordinateurs électroniques étaient souvent d'énormes machines, conçues pour des tâches informatiques scientifiques et militaires. Deux exemples emblématiques de cette époque sont l'ENIAC et l'UNIVAC I :

ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) : Construit à l'Université de Pennsylvanie entre 1943 et 1945, l'ENIAC est souvent considéré comme le premier ordinateur électronique à usage général. Il a été conçu principalement pour calculer les tables de tir de l'artillerie de l'armée américaine. L'ENIAC utilisait près de 18 000 tubes à vide et occupait une superficie d'environ 167 mètres carrés. Sa programmation était un processus manuel et complexe qui nécessitait la reconfiguration physique des connexions via des câbles et des interrupteurs. Malgré ses limites, l'ENIAC a démontré le potentiel de l'informatique électronique et a pu effectuer des calculs des centaines de fois plus rapidement que les calculatrices mécaniques précédentes. L'ENIAC ne suivait pas l'architecture de von Neumann, car les instructions du programme étaient séparées des données.
UNIVAC I (Universal Automatic Computer I) : Conçu par J. Presper Eckert et John Mauchly (les mêmes créateurs de l'ENIAC) et construit par leur société, Eckert-Mauchly Computer Corporation, l'UNIVAC I fut le premier ordinateur électronique produit commercialement aux États-Unis.

Le premier UNIVAC I a été livré au Bureau du recensement des États-Unis en 1951. Contrairement à l'ENIAC, l'UNIVAC I a été conçu pour des applications scientifiques et commerciales et a été le premier ordinateur à utiliser une bande magnétique pour l'entrée et la sortie de données, ce qui représente une avancée significative par rapport aux cartes perforées. L'UNIVAC I a adopté une architecture plus proche du modèle de von Neumann, avec des instructions et des données stockées dans la même unité mémoire (avec quelques distinctions). Son introduction a marqué le début de l’ère de l’informatique commerciale et a ouvert de nouvelles perspectives pour l’automatisation des processus métiers.

En plus de l'ENIAC et de l'UNIVAC I, de nombreux autres ordinateurs pionniers ont été développés au cours de cette période, comme l'EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Calculator) de l'Université de Cambridge, qui fut l'un des premiers ordinateurs à mettre pleinement en œuvre l'architecture von Neumann, et l'IBM 701, le premier ordinateur scientifique produit par IBM.

2.4 Les premiers dispositifs d'entrée/sortie :
Cartes perforées et bandes magnétiques

L'interaction avec les premiers ordinateurs nécessitait l'utilisation de dispositifs spécifiques pour saisir des données et des instructions et produire des résultats :

Cartes perforées : Les cartes perforées étaient l'une des principales méthodes de saisie pour les premiers ordinateurs. Les informations ont été codées en perçant des trous à des endroits spécifiques sur une carte en carton. Chaque colonne de la carte représentait un caractère ou un chiffre. Les lecteurs de cartes perforées interprétaient la présence ou l'absence de trous perforés pour saisir des données et des instructions dans l'ordinateur. Les cartes perforées étaient une méthode relativement lente et sujette aux erreurs, mais elles constituaient un standard pour l'époque.
Bande magnétique : L'UNIVAC I a été le premier ordinateur à utiliser la bande magnétique comme support principal pour l'entrée et la sortie des données. Les données ont été stockées sous forme de motifs magnétiques sur une bande plastique recouverte d'un matériau ferromagnétique. Les bandes magnétiques offraient une densité de stockage et une vitesse de transfert supérieures à celles des cartes perforées, mais l'accès aux données était séquentiel, ce qui signifie que pour accéder à une information spécifique, il fallait faire défiler toute la bande jusqu'à ce point. Les bandes magnétiques sont devenues un support important pour stocker de grandes quantités de données.
Imprimantes : Les résultats des calculs étaient souvent produits sur papier via des imprimantes. Les premières imprimantes étaient souvent mécaniques ou électromécaniques et avaient une vitesse d'impression limitée.

2.5 Défis et innovations

La construction et le fonctionnement des premiers ordinateurs présentaient de nombreux défis d'ingénierie et de logistique. La complexité des circuits basés sur des tubes à vide rendait les systèmes coûteux, énergivores et sujets aux pannes. La programmation était une tâche ardue qui nécessitait souvent une compréhension détaillée de l’architecture matérielle. La gestion et le stockage des données avec des cartes perforées et des bandes magnétiques étaient des processus manuels et exigeants en main-d'œuvre.

Malgré ces défis, les années 1950 ont été une période d’innovation intense. Recherche et développement axés sur l'amélioration de la fiabilité, de la vitesse et de la capacité des ordinateurs. L’introduction de la mémoire à noyau de ferrite vers la fin de la décennie a représenté une étape importante vers des systèmes de mémoire plus efficaces.

La compréhension croissante des principes de l’architecture informatique et l’émergence des premiers langages de programmation de haut niveau jetteraient les bases de l’explosion ultérieure de l’informatique.

Le matériel des premiers ordinateurs des années 1950 était caractérisé par l'utilisation de technologies émergentes telles que les tubes à vide et les premiers systèmes de mémoire (tubes Williams et tambours magnétiques). L'architecture des premiers ordinateurs centraux, tels que l'ENIAC et l'UNIVAC I, représentait une innovation radicale dans le domaine du calcul automatique. L'utilisation de cartes perforées et de bandes magnétiques pour l'entrée/sortie reflétait les limites technologiques de l'époque. Malgré les défis, cette période pionnière a jeté les bases technologiques et conceptuelles de l’évolution ultérieure de l’informatique, ouvrant la voie à un avenir dans lequel les ordinateurs deviendraient une force de transformation pour la société.