Le transistor CMOS.
Les ordinateurs utilisent des transistors qui ne sont utilisés que dans deux états: conducteur/bloqué, ouvert/fermé, 0/1 comme des interrupteurs.
Il existe deux grandes familles de transistors: Bipolaires, et MOS (PNOS, NMOS, CMOS)
Les bipolaires (TTL, ECL...) sont les premiers à avoir été produits.
Ils sont puissants et rapides mais chauffent.
Ils ont eu leur heure de gloire (IBM 360...)
Les unipolaires (NMOS, PMOS, CMOS) sont venus après
Ils sont sobres mais moins performants.
Les CMOS ont gagné la compétition performance/consommation.
L'inverseur est la brique de base des circuits intégrés.
Tout commence par là.
Entrée à 0 > Sortie à 1 / Entrée à 1 > Sortie à 0
Leur assemblage permet la réalisation des fonctions logiques les plus complexes.
Les Bipolaires fonctionnent comme votre radiateur électrique.
Et la chaleur est ce qui limite le nombre de transistors sur une puce.
Problème à résoudre: concevoir un transistor qui chauffe peu pour en augmenter le nombre sur une puce. C'est le CMOS.
N: négatif, P: positif, C: complémentaires
Le NMOS est bloqué par une tension négative, le PMOS par une tension positive.
Le CMOS est constitué d'un NMOS et d'un PMOS en série
N et P sont commandés par la même tension. Donc quand l'un conduit, l'autre ne conduit pas. La consommation est nulle quand il ne commute pas.
Il n'y a jamais de courant passant dans une résistance qui la fait chauffer
Pour augmenter le nombre de transistors sur une puce il faut diminuer les dimensions des composants.
C'est ce à quoi s'emploient les industriels du semi-conducteur.
(2.300 en 1971, 300.000 en 1985, plus de 2 milliards aujourd'hui).
Cependant 0 ou 1 signifie absence ou présence d'électrons donc pour passer d'absence à présence il faut amener des électrons, dans l'autre sens il faut les évacuer. Le cmos ne consomme de courant que quand il commute, la consommation est directement liée à la fréquence de l'horloge.
Cela semble le dispositif idéal, difficile de faire plus efficace avec la technologie actuelle.
L'industrie du semi-conducteur progresse au rythme de la loi de Moore en diminuant toujours les dimensions des composants et de leurs connections dans le silicium.
On arrive à 7nm en 2020 (TSMC), bientôt 3nm, 250 millions de transistors tiendront dans 1 mm2. (*)
Cependant on commence à voir le noir à l'entrée du tunnel. Même si les ingénieurs continuent à faire des miracles en réduisant encore les dimensions, au delà d'une certaine dimension des éléments - et on s'en approche - il n'y a plus suffisamment d'atomes en jeu pour que les lois de l'électricité que l'on connait s'appliquent, des phénomènes quantiques apparaissent.
Il faudra des concepts nouveaux pour aller plus loin.
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Malgré la remarquable efficacité de ce dispositif génial, le monde en utilise en masse et au niveau de la planète ils utilisent énormément d'énergie. CF la newsletter N°34, "Le numérique énergivore".
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Un petit mot sur la 5G: On va nous expliquer qu'elle est plus écolo que la 4G. C'est surement vrai au niveau de la communication entre relais et téléphones, mais le but est bien de nous offrir de nouveaux services donc davantage d'instructions qui s'exécutent dans les serveurs.
(*) Mai 2021. Des nouvelles du front:
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L'i-Phone 12 sera avec une technologie 5nm. 12 milliards de transistors sur la puce.
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IBM développe une technologie 2nm. On est à 50 milliards. Ca fonctionne en laboratoire. Encore un peu de travail pour proposer la licence aux fondeurs (2024 / 2025)