Les circuits intégrés numériques sont des puces électroniques conçues pour traiter des informations sous la forme de valeurs discrètes. Alors qu'un circuit analogique travaille avec des tensions ou des courants pouvant prendre continuellement différentes valeurs, un circuit numérique utilise principalement des états logiques distincts.

Le système le plus courant repose sur deux états représentés par 0 et 1. Ces deux valeurs correspondent physiquement à des plages de tensions électriques. Un 0 logique n'est donc pas nécessairement une tension exactement égale à zéro volt, et un 1 logique n'est pas nécessairement une tension exactement égale à la tension d'alimentation. Le circuit définit des plages de tension dans lesquelles chaque état est reconnu sans ambiguïté.

Cette représentation permet de traiter des nombres, des caractères, des images, des sons, des instructions et de nombreuses autres informations en les transformant en suites de bits.

Des composants séparés aux circuits numériques intégrés

Les premiers systèmes numériques étaient constitués de nombreux composants électroniques reliés entre eux. Chaque fonction logique nécessitait plusieurs transistors, résistances et autres composants, eux-mêmes reliés par des fils ou des pistes.

L'intégration de ces composants sur une même plaque de silicium a profondément changé cette organisation. Des fonctions qui occupaient autrefois une grande quantité de composants peuvent désormais être réalisées sur une seule puce contenant des milliers, des millions ou des milliards de transistors.

La miniaturisation a également réduit les distances parcourues par les signaux électriques. Les informations circulent ainsi plus rapidement entre les différentes parties d'un même circuit, tandis que les connexions externes deviennent beaucoup moins nombreuses.

Les transistors comme éléments logiques

Le fonctionnement d'un circuit numérique repose principalement sur des transistors. Utilisés dans certaines configurations, ils permettent de contrôler le passage du courant et de représenter les différents états logiques.

Plusieurs transistors peuvent être associés pour réaliser une fonction logique. Des combinaisons de ces fonctions permettent ensuite d'effectuer des opérations beaucoup plus complexes.

Une porte logique peut par exemple produire un 1 uniquement lorsque deux entrées sont simultanément à 1. Une autre peut produire un 1 lorsqu'au moins une de ses entrées est à 1. En associant ces fonctions élémentaires, les concepteurs construisent progressivement des circuits capables d'effectuer des calculs, de prendre des décisions et de manipuler des données.

Des portes logiques aux fonctions complexes

Les portes logiques constituent les éléments de base à partir desquels sont construits les circuits numériques plus élaborés. Elles sont regroupées en ensembles réalisant des opérations particulières.

Certains ensembles effectuent des additions et des soustractions, d'autres réalisent des comparaisons, sélectionnent une information parmi plusieurs possibilités ou déplacent des données. D'autres encore contrôlent l'ordre dans lequel les différentes opérations sont effectuées.

La complexité augmente ainsi par niveaux successifs : quelques transistors forment une fonction élémentaire, plusieurs fonctions forment un bloc logique, puis de nombreux blocs sont réunis dans une même puce.

La logique combinatoire

Dans un circuit de logique combinatoire, l'état des sorties dépend directement de l'état présent des entrées.

Une modification des entrées provoque donc une modification correspondante des sorties après le très court temps nécessaire aux signaux pour traverser les différents transistors et portes logiques.

Un circuit qui additionne deux nombres binaires constitue un exemple de logique combinatoire. Il reçoit les bits des deux nombres et produit immédiatement les bits correspondant au résultat.

La logique séquentielle

D'autres circuits doivent conserver une information pendant un certain temps. Ils utilisent alors une logique séquentielle, capable de mémoriser un état précédent.

Des cellules élémentaires peuvent ainsi conserver un bit, tandis que l'association de nombreuses cellules permet de conserver des suites de bits beaucoup plus importantes.

Cette capacité à conserver un état est essentielle pour réaliser des systèmes qui doivent suivre une succession d'étapes, compter des événements, conserver temporairement des données ou exécuter une série d'opérations dans un ordre déterminé.

Le temps et l'horloge

Les circuits numériques complexes doivent synchroniser leurs opérations. Une horloge électronique fournit alors un signal périodique servant de référence temporelle.

À chaque transition de l'horloge, certaines parties du circuit peuvent enregistrer une nouvelle valeur, tandis que d'autres commencent l'opération suivante.

La fréquence de l'horloge indique le nombre de cycles effectués chaque seconde. Une fréquence de 1 GHz correspond ainsi à un milliard de cycles par seconde.

La fréquence seule ne détermine cependant pas la quantité de travail réellement effectuée. L'organisation interne du circuit, le nombre d'opérations réalisées par cycle, les temps d'accès aux données et les échanges entre les différents blocs interviennent également.

Les données binaires

Les circuits numériques manipulent les informations sous forme de bits. Un bit peut prendre deux états, 0 ou 1. En regroupant plusieurs bits, il devient possible de représenter des nombres beaucoup plus importants.

Huit bits forment un octet et permettent de représenter 256 valeurs différentes, de 0 à 255 lorsqu'ils sont utilisés pour coder des nombres entiers non signés.

Des groupes beaucoup plus importants de bits sont utilisés pour représenter des nombres, des caractères, des couleurs, des instructions ou des adresses. Une image numérique, par exemple, est finalement stockée sous la forme d'une immense quantité de valeurs binaires.

Le traitement des instructions

Certains circuits numériques sont capables d'interpréter une succession d'instructions. Une instruction est elle-même représentée sous forme binaire et indique l'opération à effectuer ainsi que les données concernées.

Le circuit récupère une instruction, l'interprète puis active les différents blocs nécessaires à son exécution. Il peut ensuite passer à l'instruction suivante.

Cette organisation permet de réaliser des programmes complexes sans modifier physiquement les connexions internes de la puce à chaque nouvelle tâche.

Les échanges entre les blocs

Dans une puce complexe, les différents blocs doivent continuellement échanger des données. Ces échanges utilisent des liaisons numériques constituées de nombreuses connexions parallèles ou de liaisons série à très grande vitesse.

Plusieurs bits peuvent être transportés simultanément sur des lignes différentes. Une liaison de 32 bits peut ainsi transporter 32 bits en parallèle lors d'une opération de transfert, tandis qu'une liaison série transmet les bits les uns après les autres à très haute fréquence.

Les circuits internes utilisent également des signaux de contrôle pour indiquer qu'une donnée est disponible, qu'une opération doit commencer ou qu'un transfert peut se poursuivre.

Les différents blocs d'une puce numérique

Une puce numérique complexe est généralement constituée de nombreux blocs spécialisés. Certains réalisent les opérations logiques et arithmétiques, d'autres conservent les informations, d'autres encore organisent les échanges de données ou contrôlent le fonctionnement général du circuit.

La quantité et l'organisation de ces blocs dépendent de la fonction recherchée. Une puce destinée principalement au calcul ne possède pas nécessairement la même architecture qu'une puce conçue pour conserver de grandes quantités de données ou traiter rapidement des opérations répétitives.

Certaines puces regroupent également plusieurs fonctions très différentes sur une même surface de silicium. Cette intégration permet de réduire le nombre de composants externes et les distances entre les différents traitements.

La mémoire dans les circuits numériques

La capacité à stocker des informations binaires constitue une fonction fondamentale de l'électronique numérique.

Une cellule élémentaire peut conserver un bit. En regroupant des milliers, des millions ou des milliards de cellules, une puce peut conserver des quantités considérables de données.

Les différentes technologies de stockage ne possèdent pas les mêmes caractéristiques. Certaines permettent des accès extrêmement rapides mais sont utilisées pour de petites quantités de données, tandis que d'autres peuvent conserver beaucoup plus d'informations avec une densité élevée.

La manière dont les données sont conservées, la vitesse d'accès, la consommation électrique et la conservation ou non des informations lorsque l'alimentation est coupée dépendent de la technologie utilisée.

La miniaturisation

L'un des principaux progrès des circuits intégrés numériques est l'augmentation constante du nombre de transistors pouvant être placés sur une même puce.

La réduction des dimensions permet d'intégrer davantage de fonctions sur une surface identique. Elle réduit également certaines capacités électriques parasites et permet de faire fonctionner les transistors à des fréquences très élevées.

Cette miniaturisation impose cependant des contraintes importantes. Lorsque les structures deviennent extrêmement petites, les variations de fabrication, les fuites électriques, la dissipation thermique et les effets physiques liés aux très faibles dimensions deviennent plus difficiles à maîtriser.

La consommation électrique

Un circuit numérique consomme de l'énergie lorsqu'il change d'état et lorsque ses différents transistors présentent des courants de fuite.

Une partie de cette énergie est transformée en chaleur. Plus une puce contient de transistors et plus elle fonctionne rapidement, plus la gestion de cette chaleur devient importante.

Les concepteurs cherchent donc à réduire la tension d'alimentation, limiter les commutations inutiles et désactiver certaines parties du circuit lorsqu'elles ne sont pas utilisées.

La fiabilité des signaux numériques

Un circuit numérique ne doit pas seulement produire des 0 et des 1. Il doit les produire suffisamment rapidement et avec des niveaux électriques suffisamment éloignés des zones d'incertitude pour que les circuits suivants les interprètent correctement.

Les parasites électriques, les variations de tension, les retards de propagation et les interférences entre les connexions peuvent perturber les signaux.

Les circuits sont donc conçus avec des marges électriques et temporelles permettant de conserver un fonctionnement fiable malgré ces perturbations.

Des circuits simples aux systèmes très complexes

Les premiers circuits numériques intégrés ne contenaient qu'un nombre relativement faible de composants. Les progrès de la fabrication du silicium ont ensuite permis d'augmenter progressivement leur densité.

Cette évolution a conduit à des puces capables de réunir sur quelques millimètres carrés des unités de calcul, des systèmes de stockage, des blocs spécialisés et de nombreuses interfaces de communication.

La conception moderne consiste donc moins à relier quelques composants qu'à organiser des ensembles extrêmement complexes de blocs électroniques contenant chacun des millions de transistors.

Les circuits intégrés numériques constituent ainsi une famille très vaste. Certains sont principalement destinés au traitement des instructions, d'autres au calcul spécialisé, au stockage des données, à la réalisation de fonctions programmables ou encore à l'intégration de plusieurs fonctions dans une même puce.

Le microprocesseur, souvent appelé CPU (Central Processing Unit), est le véritable cerveau d'un système informatique. Il exécute les programmes, effectue les calculs, traite les informations et coordonne le fonctionnement de tous les autres composants électroniques.

Depuis leur apparition au début des années 1970, les microprocesseurs ont profondément transformé l'informatique. Ils équipent aujourd'hui les ordinateurs, les serveurs, les smartphones, les consoles de jeux, les téléviseurs connectés, certains appareils électroménagers et de nombreux systèmes industriels.

Le principe de fonctionnement

Un microprocesseur exécute une suite d'instructions stockées dans une mémoire.

Chaque instruction correspond à une opération précise : effectuer un calcul, déplacer une donnée, comparer deux valeurs, accéder à la mémoire ou communiquer avec un périphérique.

Le processeur répète continuellement un cycle composé de plusieurs étapes :

• lecture de l'instruction en mémoire ;
• décodage de cette instruction ;
• exécution de l'opération demandée ;
• préparation de l'instruction suivante.

Ce cycle est réalisé des millions, voire des milliards de fois chaque seconde.

L'horloge

Toutes les opérations du processeur sont synchronisées par un signal d'horloge.

Chaque impulsion d'horloge rythme l'exécution des différentes instructions.

La fréquence d'horloge s'exprime en hertz (Hz).

Les premiers microprocesseurs fonctionnaient à quelques centaines de kilohertz. Les modèles actuels atteignent plusieurs gigahertz (GHz), soit plusieurs milliards d'impulsions par seconde.

Une fréquence plus élevée permet généralement d'exécuter davantage d'opérations par unité de temps, même si d'autres caractéristiques influencent également les performances.

Les instructions

Chaque processeur possède son propre jeu d'instructions, appelé ISA (Instruction Set Architecture).

Ces instructions permettent notamment :

• d'additionner ou de soustraire des nombres ;
• d'effectuer des opérations logiques ;
• de déplacer des données entre les registres et la mémoire ;
• de comparer des valeurs ;
• de réaliser des branchements conditionnels ;
• de communiquer avec les périphériques.

Les logiciels sont finalement constitués d'une longue suite de ces instructions élémentaires.

Les registres

Les registres sont de très petites mémoires extrêmement rapides situées à l'intérieur même du processeur.

Ils stockent temporairement les données et les résultats des calculs en cours.

Comme ils sont directement intégrés dans le cœur du processeur, leur accès est beaucoup plus rapide que celui de la mémoire principale.

L'unité arithmétique et logique

L'unité arithmétique et logique, appelée ALU (Arithmetic Logic Unit), réalise les calculs du processeur.

Elle effectue les additions, les soustractions, les multiplications simples, les comparaisons et les opérations logiques comme ET, OU ou NON.

Les calculs plus complexes peuvent être réalisés par des unités spécialisées intégrées au processeur.

L'unité de contrôle

L'unité de contrôle dirige l'ensemble du fonctionnement du microprocesseur.

Elle lit les instructions, les interprète puis commande les différentes parties du processeur afin qu'elles exécutent les opérations demandées dans le bon ordre.

Les mémoires cache

L'accès à la mémoire principale étant relativement lent, les processeurs utilisent des mémoires cache.

Ces mémoires très rapides conservent les données et les instructions les plus fréquemment utilisées afin d'accélérer leur accès.

Les processeurs modernes possèdent généralement plusieurs niveaux de cache, appelés L1, L2 et L3.

Le cache L1 est le plus rapide mais aussi le plus petit. Les niveaux suivants offrent une capacité plus importante au prix d'un accès légèrement plus lent.

Les cœurs de calcul

Les premiers microprocesseurs ne possédaient qu'un seul cœur de calcul.

Aujourd'hui, la plupart des processeurs intègrent plusieurs cœurs capables d'exécuter simultanément différentes tâches.

Les processeurs peuvent ainsi comporter deux, quatre, huit, seize cœurs ou davantage selon leur domaine d'utilisation.

Cette architecture améliore considérablement les performances lorsque plusieurs programmes ou plusieurs calculs sont exécutés en parallèle.

Les architectures CISC et RISC

Les microprocesseurs utilisent principalement deux grandes architectures.

Les processeurs CISC (Complex Instruction Set Computer) possèdent un grand nombre d'instructions parfois très élaborées. La famille x86, utilisée dans la majorité des ordinateurs personnels, appartient à cette catégorie.

Les processeurs RISC (Reduced Instruction Set Computer) utilisent un jeu d'instructions plus simple, ce qui facilite leur conception et améliore souvent leur efficacité énergétique.

L'architecture ARM, présente dans la plupart des smartphones et des tablettes, est aujourd'hui l'un des principaux représentants de cette famille.

Les bus de communication

Le processeur communique avec les mémoires et les périphériques grâce à différents bus.

Le bus de données transporte les informations.

Le bus d'adresses indique l'emplacement mémoire concerné.

Le bus de contrôle transporte les signaux de commande et de synchronisation.

La gravure des processeurs

Les microprocesseurs sont fabriqués selon des procédés de gravure extrêmement précis.

La taille des transistors est aujourd'hui de quelques nanomètres seulement.

Une gravure plus fine permet généralement d'intégrer davantage de transistors sur une même puce, d'augmenter les performances et de réduire la consommation électrique.

Les processeurs les plus récents contiennent plusieurs dizaines de milliards de transistors.

Les applications

Les microprocesseurs exécutent les systèmes d'exploitation, les logiciels de bureautique, les navigateurs Internet, les jeux vidéo, les applications scientifiques, les logiciels de traitement d'image, les serveurs web, les systèmes de calcul intensif et de nombreuses applications industrielles.

Ils coordonnent également les échanges avec les mémoires, les cartes graphiques, les disques de stockage, les interfaces réseau et les autres composants de l'ordinateur.

Quelques microprocesseurs célèbres

Le Intel 4004, commercialisé en 1971, est considéré comme le premier microprocesseur commercial.

Il fut suivi par les Intel 8080, Zilog Z80, Motorola 68000 et MOS Technology 6502, qui ont marqué les débuts de la micro-informatique.

Aujourd'hui, les familles Intel Core, AMD Ryzen, Apple M et les nombreux processeurs ARM équipent la majorité des ordinateurs, des serveurs et des appareils mobiles.