Chapitre 4 : La révolution des semi-conducteurs

L'avènement des semi-conducteurs, en particulier du transistor puis du circuit intégré, représente l'une des étapes les plus significatives de l'histoire des technologies de l'information. Ces inventions ont non seulement amélioré considérablement les performances et la fiabilité des ordinateurs, mais ont également permis leur diffusion dans de nouveaux domaines et ont ouvert la voie à la révolution ultérieure des ordinateurs personnels.

4.1 L'invention du transistor :
Un substitut révolutionnaire aux tubes à vide

Comme nous l'avons vu dans le chapitre précédent, les premiers ordinateurs étaient basés sur l'utilisation de valves thermoioniques, dispositifs qui, bien qu'ayant rendu possible le calcul électronique, présentaient de nombreux inconvénients.

La recherche d'alternatives plus efficaces et plus fiables a conduit, en décembre 1947, à l'invention du transistor aux Bell Telephone Laboratories (Bell Labs) par John Bardeen, Walter Brattain et William Shockley. Cet événement a marqué le début d'une nouvelle ère dans le domaine de l'électronique.

Un transistor est un dispositif semi-conducteur capable d'amplifier ou de commuter des signaux électroniques. Contrairement aux tubes à vide, qui fonctionnent sous vide, les transistors sont des dispositifs à semi-conducteurs, constitués de matériaux semi-conducteurs tels que le silicium ou le germanium, dont les propriétés de conductivité électrique peuvent être contrôlées en faisant varier la tension appliquée à une électrode de commande.

Les premiers transistors étaient du type à jonction bipolaire (BJT), mais plus tard les transistors à effet de champ (FET) se sont répandus, ce qui a offert d'autres avantages en termes de consommation d'énergie et de miniaturisation.

L'introduction du transistor a apporté une série d'avantages cruciaux par rapport aux tubes à vide :

Petite taille : Les transistors étaient nettement plus petits et plus légers que les tubes, permettant la construction d'ordinateurs beaucoup plus compacts.
Consommation d'énergie inférieure : Les transistors nécessitaient beaucoup moins d'énergie pour fonctionner, réduisant ainsi les coûts d'exploitation et les problèmes de dissipation thermique.
Moins de génération de chaleur : Moins de dissipation thermique, fiabilité accrue du circuit et systèmes de refroidissement simplifiés.
Fiabilité et durabilité accrues : Les transistors étaient beaucoup plus robustes et avaient une durée de vie nettement plus longue que les tubes à vide fragiles.
Coût inférieur : La production de transistors était potentiellement moins coûteuse que la production de vannes, en particulier à grande échelle.
Vitesse de commutation plus rapide : Les transistors pouvaient changer d'état (de marche à arrêt et vice versa) beaucoup plus rapidement que les vannes, permettant des ordinateurs plus rapides.

L'invention du transistor a valu à Shockley, Bardeen et Brattain le prix Nobel de physique en 1956, témoignant de son énorme importance scientifique et technologique.

4.2 Les premiers ordinateurs à transistors :
Une nouvelle génération de machines

L'adoption des transistors dans le matériel informatique n'a pas été immédiate, mais progressivement, tout au long des années 1950 et au début des années 1960, les ordinateurs à transistors ont commencé à remplacer ceux basés sur des tubes à vide. Cette transition a conduit à ce qu'on appelle la deuxième génération d'ordinateurs .

Les ordinateurs à transistors offraient de meilleures performances, une plus grande fiabilité et un encombrement plus réduit que leurs prédécesseurs à tubes. Voici quelques exemples notables d'ordinateurs à transistors :

IBM 7090 : Introduit en 1959, ce fut l'un des premiers ordinateurs centraux d'IBM à utiliser des transistors. Il était beaucoup plus rapide et plus fiable que son prédécesseur à tube, l'IBM 704.
DEC PDP-1 : Lancé en 1960 par Digital Equipment Corporation (DEC), le PDP-1 fut l'un des premiers mini-ordinateurs à succès.
Sa petite taille et son coût relativement inférieur à celui des ordinateurs centraux l'ont rendu accessible à un public plus large, y compris les laboratoires de recherche et les universités.
Atlas : Ordinateur développé conjointement par l'Université de Manchester et Ferranti International en 1962, il fut l'un des premiers à utiliser la mémoire virtuelle, une technique qui permettait aux programmes de s'exécuter sur une taille supérieure à la mémoire physique disponible.

La transition vers les transistors n'était pas seulement un changement technologique, mais ouvrait de nouvelles possibilités pour l'architecture informatique et les applications qui pouvaient être exécutées. La plus grande fiabilité des transistors, par exemple, a permis de construire des systèmes plus complexes et d’effectuer des calculs plus longs sans interruptions fréquentes.

4.3 Le développement des circuits intégrés :
La miniaturisation poussée à l'extrême

Si le transistor a représenté une révolution dans le composant électronique de base, le développement du circuit intégré (IC) , également connu sous le nom de micropuce, a été une autre avancée majeure qui a amené la miniaturisation et les performances des ordinateurs à des niveaux sans précédent. L'idée fondamentale derrière le circuit intégré était de fabriquer plusieurs composants électroniques (tels que des transistors, des résistances, des condensateurs) interconnectés sur un seul substrat de matériau semi-conducteur, généralement du silicium.

L'invention du circuit intégré est attribuée indépendamment à deux ingénieurs :

Jack Kilby : Chez Texas Instruments, en 1958, Kilby a créé le premier circuit intégré fonctionnel, démontrant la possibilité de combiner plusieurs composants sur une seule puce en germanium.
Robert Noyce : Chez Fairchild Semiconductor, en 1959, Noyce a développé un circuit intégré à base de silicium, qui offrait une plus grande fiabilité et une plus grande facilité de production que le germanium. La conception de Noyce comprenait également une méthode d'interconnexion des composants sur la puce via un processus de planarisation, qui s'est avéré essentiel pour la production de masse.

Les premiers circuits intégrés contenaient un nombre limité de composants (généralement de quelques à des dizaines) et entraient dans la catégorie des Intégration à petite échelle (SSI) . Cependant, même ces premières puces ont démontré les avantages notables de la technologie :

Réduction supplémentaire de la taille et du poids : L'intégration de plusieurs composants sur une seule puce a permis de construire des circuits électroniques encore plus compacts.
Coût inférieur : La production de masse de circuits intégrés promettait de réduire considérablement le coût par composant.
Vitesse plus grande : Les signaux électriques devaient parcourir des distances beaucoup plus courtes au sein d'une puce, réduisant ainsi les retards et augmentant la vitesse de traitement.
Fiabilité accrue : La réduction du nombre de connexions externes entre les composants a diminué la probabilité de panne.
Consommation d'énergie réduite : L'intégration sur une seule puce a permis une réduction supplémentaire de la consommation d'énergie.

L'introduction des circuits intégrés a marqué le début de la troisième génération d'ordinateurs , caractérisée par une réduction significative de la taille, une augmentation des performances et une plus grande fiabilité.

4.4 L'impact sur les ordinateurs :
Vers des machines plus puissantes et plus accessibles

L'avènement des transistors et des circuits intégrés a eu un impact transformateur sur l'industrie informatique :

Réduction des effectifs : Les ordinateurs sont devenus progressivement plus petits, passant des immenses pièces occupées par les ordinateurs centraux à des systèmes pouvant tenir dans des armoires ou même sur un bureau.
Vitesse accrue : La vitesse de commutation plus rapide des transistors et les distances plus courtes au sein des circuits intégrés ont permis aux ordinateurs de disposer de capacités de calcul toujours plus grandes.
Une plus grande fiabilité : L'élimination des tubes à vide fragiles et la réduction du nombre de connexions externes ont conduit à des systèmes beaucoup plus fiables et moins sujets aux pannes.
Réduction des coûts : La production de masse de transistors et de circuits intégrés a permis de réduire les coûts de production des ordinateurs, les rendant potentiellement accessibles à un public plus large.

Un résultat direct de la révolution des semi-conducteurs a été l'émergence du mini-ordinateur . Ces ordinateurs, tels que le DEC PDP-1 susmentionné et les modèles ultérieurs de la série PDP, étaient plus petits, moins chers et plus faciles à utiliser que les grands ordinateurs centraux. Cela les rendait idéaux pour les laboratoires de recherche, les départements universitaires et les petites et moyennes entreprises, démocratisant ainsi l’accès à la puissance de calcul.

4.5 Loi de Moore :
Une observation prophétique

En 1965, Gordon Moore, fondateur de Fairchild Semiconductor et plus tard d'Intel, a publié un article dans lequel il notait que le nombre de transistors pouvant être intégrés dans un circuit intégré doublait environ chaque année (révisé plus tard à environ tous les 18 à 24 mois). Cette observation, connue sous le nom de Loi de Moore , n'était pas une loi physique, mais plutôt une prédiction basée sur les tendances technologiques actuelles.

Remarquablement, la loi de Moore s'est révélée remarquablement précise pendant plusieurs décennies, entraînant l'évolution de l'industrie des semi-conducteurs et conduisant à une croissance exponentielle de la puissance de calcul et à des réductions continues des coûts. L’augmentation de la densité des transistors sur les puces a permis d’intégrer de plus en plus de fonctionnalités dans les microprocesseurs et les mémoires, alimentant l’innovation dans tous les domaines de l’informatique.

La révolution des semi-conducteurs, avec l’invention du transistor et le développement des circuits intégrés, représente un tournant dans l’histoire de l’informatique. Ces technologies ont permis de surmonter les limites des systèmes basés sur des tubes à vide, conduisant à la création d'ordinateurs plus petits, plus rapides, plus fiables et moins coûteux. L’émergence des mini-ordinateurs a été une conséquence directe de ces progrès, rendant la puissance de calcul accessible à un public plus large. La loi de Moore, avec sa prévision d'une croissance exponentielle de la densité des transistors, a conduit à l'évolution du matériel pendant de nombreuses années. Ces développements ont jeté les bases de l’explosion ultérieure de l’informatique personnelle et des technologies numériques qui imprègnent notre vie quotidienne aujourd’hui.