1, 2, 3, codez ! - Eclairage scientifique - Les ordinateurs

Comme nous l’avons évoqué précédemment, l’informatique est née lorsqu’on a pu concevoir des machines capables d’exécuter des algorithmes. Ces machines « universelles » sont appelées aujourd’hui des ordinateurs. Quant à savoir si ces machines sont intelligentes ou non, c'est une autre question.

Qu’est-ce qu’un ordinateur ?

Un ordinateur est une machine capable de manipuler automatiquement des informations et de les mémoriser, et que l’on peut programmer. Les manipulations de l’information sont notamment des suites d’opérations arithmétiques et logiques. Bien que le mot « ordinateur » soit souvent associé à l’image de nos ordinateurs personnels, avec écran et clavier, les ordinateurs au sens large sont aujourd’hui présents dans de très nombreux objets quotidiens sous la forme de processeurs « embarqués » dans ces objets  : téléphones, tablettes, montres électroniques, voitures, avions, feux de circulation, caméras, appareils photos, télévisions, appareils ménagers, jouets interactifs, appareils auditifs, thermostats… et tous les robots dont nous parlerons plus loin. Il y a environ 10 fois plus d’ordinateurs « embarqués » que d’ordinateurs « classiques » (avec écran, clavier…) dans le monde.

Des ordinateurs mécaniques aux microprocesseurs

Aujourd’hui, la plupart des ordinateurs sont des machines électroniques, cependant, les premiers ordinateurs ont d’abord été mécaniques. Précurseur, Charles Babbage a conceptualisé le premier ordinateur au début du XIXe siècle, sous la forme d’une machine composée d’un jeu complexe de rouages mécaniques (voir ici son histoire). On fournissait à cette machine des instructions de calcul sous la forme de cartes perforées, selon un principe similaire à la programmation des machines à tisser. La machine de Babbage était en particulier capable de réaliser des boucles et des branchements conditionnels, c’est-à-dire de décider de la suite d’instructions à réaliser en fonction du résultat d’un calcul.

Les premiers ordinateurs électro-mécaniques sont apparus pendant la seconde guerre mondiale. Ils étaient utilisés pour les calculs balistiques des missiles. Ces ordinateurs utilisaient l’électricité pour activer et désactiver des relais mécaniques afin de réaliser des calculs. Les ordinateurs entièrement électroniques sont apparus peu après, basés sur l’utilisation de lampes à vide : citons le Colossus en Grande-Bretagne qui servit à décoder les messages secrets échangés par l’armée Allemande. Les lampes à vide furent ensuite remplacés par les transistors, dont la petite taille, la faible consommation d’énergie et la robustesse permirent leur accumulation sur des « circuits intégrés ». La miniaturisation constante des circuits intégrés a donné naissance aux microprocesseurs dès la fin des années 1950.

Lampe à vide de 1947 Transistor PNP de 1953 Microprocesseur Intel© 4040 de 1974. Contient 3 000 transistors. Microprocesseur Intel© Core i7 de 2014. Contient 2,6 milliards de transistors.

Aujourd’hui des laboratoires de recherche imaginent des alternatives aux circuits électroniques pour les ordinateurs de demain. En particulier, ils étudient comment utiliser des propriétés de la matière afin d’accélérer certains types de calculs (comme les états quantiques dans le cas des « ordinateurs quantiques »), ou comment utiliser certaines molécules complexes (comme l’ADN dans le cas du « DNA computing »).

Les composants des ordinateurs

La plupart des ordinateurs actuels reposent sur quatre entités : l’unité de contrôle, l’unité arithmétique et logique (ALU), la mémoire, et les dispositifs d’entrée-sortie. Ces entités, souvent constituées elles-mêmes de plusieurs composants, sont interconnectées via des conducteurs électriques (pistes en cuivre, câbles) que l’on appelle de façon générique des « bus ». Ces bus transmettent des informations suivant un codage précis, le « protocole de communication ».

L’unité de contrôle est le chef d’orchestre qui dirige l’ensemble des autres entités : elle lit et décode les instructions et les données de la mémoire, les transforme en signaux qui vont activer d’autres entités (par exemple envoyer à l’ALU un calcul à effectuer, récupérer le résultat et le ranger à un emplacement particulier dans la mémoire).

On appelle souvent « CPU » (Central Processing Unit en anglais) l’ensemble composé de l’unité de contrôle, de l’ALU, et de cellules mémoire spéciales, les « registres », utilisées pour mémoriser l’emplacement en mémoire de la prochaine instruction.

La mémoire d’un ordinateur peut être vue comme un ensemble de cases dans lesquelles on peut stocker et écrire des nombres (encodés selon le codage binaire : un circuit élémentaire allumé code la valeur « 1 », et un circuit élémentaire éteint code la valeur « 0 »). Chaque case a une adresse qui permet aux autres composants de la localiser.

Les ordinateurs sont souvent associés à des dispositifs d’entrée-sortie, les « périphériques », qui leur permettent d’échanger des informations avec l’extérieur. Au-delà des claviers, souris, disques durs, écrans, haut-parleurs ou imprimantes, les périphériques de la plupart des ordinateurs embarqués dans notre quotidien sont des capteurs (par exemple de lumière, de mouvement, de chaleur, de signal GPS, …), des actionneurs (par exemple des moteurs, des valves, des radiateurs, …), et surtout d’autres ordinateurs, situés à l’intérieur du même objet, ou à l’extérieur. Par exemple, un ordinateur personnel ou un téléphone contiennent plusieurs ordinateurs dédiés au traitement du son ou de l’image et qui communiquent les uns avec les autres, ainsi qu’avec les autres ordinateurs, externes, connectés au réseau internet.

 


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