Architecture des Systèmes Informatiques - Q1 2024-2025 PDF

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Ce document présente une variété de concepts et d'exemples liés à l'histoire de l'informatique, y compris à l'architecture des systèmes informatiques, aux machines de Turing et et aux composants électroniques fondamentaux.

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Architecture des systèmes informatiques Aube de l’ère de l’information Yves Dubois Sur base des notes de M. Bodin Q1 2024-2025 Yves Dubois HTMT2 : v5.000 The ocean is a Turing machine, the sand is its tape; the water reads the mar...

Architecture des systèmes informatiques Aube de l’ère de l’information Yves Dubois Sur base des notes de M. Bodin Q1 2024-2025 Yves Dubois HTMT2 : v5.000 The ocean is a Turing machine, the sand is its tape; the water reads the marks in the sand and sometimes erases them and sometimes carves new ones with tiny currents that are themselves a response to the marks. L'océan est une machine de Turing, le sable est son ruban perforé ; l'eau lit les marques dans le sable et parfois les efface et parfois en sculpte de nouvelles avec de minuscules courants qui sont eux-mêmes une réponse aux marques. — Neal Stephenson, Cryptonomicon, 1999 Yves Dubois HTMT2 : v5.000 La machine universelle de Turing (1936) Dans son document "On Computable Numbers, with an Application to the Entscheidungsproblem ('Halting Problem')" Turing cherche à démontrer qu'il n'y a pas de solution au 10ieme problème David Hilbert : qu'aucun résolveur mathématique universel ne pourrait exister. Pour ce faire, Turing décrit une machine théorique capable de calculer tout ce qui est calculable : La machine universelle de Turing Yves Dubois HTMT2 : v5.000 La machine universelle de Turing ▶ Capable de calculer tout ce qui est calculable. ▶ Peut donc servir à distinguer ce qui est calculable de ce qui ne l’est pas. ▶ C’est une machine impossible à construire en réalité : il faut un ruban infini. (Ruban qui lui sert de mémoire.) Yves Dubois HTMT2 : v5.000 La machine universelle de Turing et les ordinateurs modernes Pour pouvoir être désigné ’ordinateur’, un dispositif se doit d’être capable de modéliser la machine de Turing. On dit alors que ce dispositif est Turing-complet (limité seulement par sa capacité mémoire.). Yves Dubois HTMT2 : v5.000 Les pionniers : une comparaison Machine Date smbe Binaire Electr.* Progr. Turing-complet Zuse Z3 1941 oui oui non oui ** Atanasoff-Berry 1941 non oui oui non non Colossus 1943 non oui oui *** non Harvard Mark I 1944 non non non oui non Harvard Mark II 1946 non non non oui oui Zuse Z4 1950 oui oui non oui oui Eniac 1948 non non oui oui oui Manchester Mark 1 1948 non oui oui oui oui Pilot ACE 1950 oui oui oui oui oui * Electronique : Composé de tubes électroniques ou de transistors ** Oui, mais pas de façon pratique *** Oui, par recâblage Yves Dubois HTMT2 : v5.000 Mémoire RAM: Ligne de délai (1946) Figure: Short mercury delay tube, Science Museum, London, CC-BY-NC-SA-4.0 Yves Dubois HTMT2 : v5.000 Mémoire RAM: Ligne de délai (1946) Figure: Mercury delay tube plate assembly, Science Museum, London, CC-BY-NC-SA-4.0 Yves Dubois HTMT2 : v5.000 Mémoire RAM: Ligne de délai (1946) Figure: Principe de fonctionnement Yves Dubois HTMT2 : v5.000 Mémoire : Tambour, ancêtre du disque dur (CA 1950) Figure: Drum memory (bottom), and core memory (upper right) for the BESK computer, Liftarm, CC-BY-SA-3.0 Yves Dubois HTMT2 : v5.000 Mémoire RAM : Tores magnétiques (CA 1950) Figure: Tores - 32x32 (1024 bits) Yves Dubois HTMT2 : v5.000 Mémoire, tores magnétiques (CA 1950) Figure: Tores - détail Mémoire rapide (ordre de la microseconde, et lecture parallèle), non volatile Yves Dubois HTMT2 : v5.000 Mémoire ROM: Rope memory (ca. 1960) Figure: Rope Memory, Nova13, CC BY-SA 3.0 Yves Dubois HTMT2 : v5.000 Mémoire RAM de 8 bits (1966) Figure: 8-bit RAM designed by Signetics for the SDS Sigma 7 mainframe computer. Yves Dubois HTMT2 : v5.000 Tube électronique Figure: Tube électronique, Settembrini, domaine public Yves Dubois HTMT2 : v5.000 Transistor (1947) Figure: de gauche à droite : Bardeen, Shockley, et Brattain en 1948 lauréats du prix Nobel de physique en 1956 Yves Dubois HTMT2 : v5.000 Transistor (1947) Figure: Le premier transistor (à germanium) Yves Dubois HTMT2 : v5.000 Transistor Figure: Transistor de puissance moderne, ©David L. Jones Yves Dubois HTMT2 : v5.000 Transistor : Fonction en commutation Figure: Transistor as a Switch Circuit Diagram, ©electrosome.com https://electrosome.com/transistor-as-a-switch/ Yves Dubois HTMT2 : v5.000 Transistor : Ses avantages par rapport aux tubes électroniques ▶ faible consommation de courant, donc aussi une faible dissipation d’énergie ▶ prix réduit étant donné leur fabrication en quantité ▶ vitesse de commutation particulièrement élevée (Des vitesses de 300 GHz ont été atteintes déjà dans les années 1990.) On notera aussi leur taille réduite, rendant possible les microprocesseurs. Yves Dubois HTMT2 : v5.000 Portes Logiques : Tables de vérité sous forme de circuit Figure: Cinq des portes logiques les plus communes, et leurs symboles ANSI correspondants. Yves Dubois HTMT2 : v5.000 Porte Logique : XOR réalisé avec des transistors Figure: L’opérateur de disjonction exclusive en 6 MOSFET Yves Dubois HTMT2 : v5.000 Transistors: Standard Modular System (1959) Figure: Carte SMS du IBM 1401 (3 à 5 portes logiques), Marcin Wichary, CC BY 2.0 Yves Dubois HTMT2 : v5.000 IBM 1401: (1959) ▶ ordinateur à taille de mots variable ▶ plus de 12.000 unités vendues ▶ en 1961, près d’un quart des ordinateurs en circulation étaient des 1401 (2000 unités sur 8000) Yves Dubois HTMT2 : v5.000 Transistors: Cage SMS du 1401 (1959) Figure: Cage à cartes SMS, Arnold Reinhold, CC BY-SA 3.0 Yves Dubois HTMT2 : v5.000 DEC PDP-1 (1959) Figure: PDP-1 au Computer History Museum, Alexey Komarov, CC BY-SA 4.0 Yves Dubois HTMT2 : v5.000 DEC PDP-1 en action Figure: Lyle Bickley explains the PDP-1 (and we play the original Spacewar!) https://www.youtube.com/watch?v=1EWQYAfuMYw (en, 22:23) Yves Dubois HTMT2 : v5.000 Définition : Circuit intégré Fine plaque de quelques mm2 d’un substrat de silicium dopé sur lequel est gravé un très grand nombre de composants élémentaires ultra miniaturisés interconnectés entre eux par des fils métalliques pour former une circuiterie — S. Marty, 2020 Yves Dubois HTMT2 : v5.000 Circuit Intégré Figure: Yamaha YMF262 à nu, domaine public Yves Dubois HTMT2 : v5.000 Circuit Intégré : Son gestionnaire du temps Figure: résonateurs de 8mhz passifs en quartz Yves Dubois HTMT2 : v5.000 Circuits intégrés : premiers pas ▶ Jack Kilby (Texas Instruments) : Invente le circuit intégré en 1958 (lauréat prix Nobel de physique en 2000) ▶ Robert Noyce (fondateur d’Intel) : Met au point en 1959 la première puce monolithique en silicium ▶ Mohamed ”John” Atalla : co-inventeur du MOSFET (Transistor à effet de champ à grille métal-oxyde), utilisé en C.I. à partir de 1963 Yves Dubois HTMT2 : v5.000 Circuits intégrés Figure: Les Circuits Intégrées, Stéphane Marty https://www.youtube.com/watch?v=ee- LhNZPZ1U (fr, 24:48) Yves Dubois HTMT2 : v5.000 Photolithographie Figure: Photolithography etching process, Cmglee, GNU FDL 1.2 Yves Dubois HTMT2 : v5.000 MOSFET : Transistor à effet de champ à grille métal-oxyde Figure: Fonctionnement d’un MOSFET Yves Dubois HTMT2 : v5.000 Fairchild Type G (1962) Figure: Le circuit intégré ’Micrologic G’, ©Philco-Ford Microelectronics (à gauche), ©David A. Laws (à droite) https://computerhistory.org/blog/silicon-chips-take-man-to-the-moon Yves Dubois HTMT2 : v5.000 Apollo AGC (1962) ▶ 4300 circuits intégrés d’un seul type ▶ Fairchild Type ’G’ ▶ porte ’NOR’ (non-ou) à trois entrées ▶ prix unitaire : 20-30 dollars ▶ plus de 200.000 unités au total ▶ Le plus grand consommateur de circuits intégrés jusqu’en 1965. Yves Dubois HTMT2 : v5.000 Intel 4004 (1971) Figure: Vue de la puce du 4004 Yves Dubois HTMT2 : v5.000 Intel 4004 (1971) Figure: Microprocesseur 4bits 4004 Yves Dubois HTMT2 : v5.000 Intel 4004 (1971) ▶ Federico Faggin (chef de projet), Marcian ”Ted” Hoff (architecture), Stan Mazor (architecture et jeu d’instructions) et Masatoshi Shima (contributions à l’architecture et logique) ▶ Processeur 4 bits ▶ Fréquence maximale 750 kHz ▶ 2250 transistors Yves Dubois HTMT2 : v5.000 Calculatrice Busicom Figure: Busicom 141 PF, Christian Bassow, CC-BY-SA-4.0 Yves Dubois HTMT2 : v5.000 Intel 8008 (1972) Figure: Intel 8008, Konstantin Lanzet, CC BY-SA 4.0 Yves Dubois HTMT2 : v5.000 Intel 8008 (1972) ▶ Ted Hoff, Stan Mazor, Federico Faggin, et Hal Feeny ▶ processeur 8 bits ▶ fréquence maximale 800 kHz ▶ 3500 transistors ▶ finesse de gravure 10 microns Yves Dubois HTMT2 : v5.000 Datapoint 2200 (1970) Figure: Concept art for Datapoint 2200, 1696, ©Jack Frassanito https://bugbookmuseum.blogspot.com/2016/01/datapoint-2200-8-bit-computer- update-by.html Yves Dubois HTMT2 : v5.000 Digital PDP-8 (1965) Figure: PDP-8 dumping core, ©Dennis van Zuijlekom Yves Dubois HTMT2 : v5.000 Micral N (1973) Figure: Le tout premier micro-ordinateur est né en France https://www.youtube.com/watch?v=BS9T2po_yPc (fr, 3:19) Yves Dubois HTMT2 : v5.000 Chip Manufacturing Figure: Chip Manufacturing - How microchips are made https://www.youtube.com/watch?v=bor0qLifjz4 (en, 13:31) Yves Dubois HTMT2 : v5.000 Circuits intégrés Figure: Fabrication de circuits intégrés https://www.youtube.com/watch?v=skKGxPZQmlw (fr, 6:02) Yves Dubois HTMT2 : v5.000 Bibliographie ▶ Vitesse de commutation des transistors : https://www.newscientist.com/article/mg12617113-300-technology- recordswitch-speed-for-silicon-transistors Yves Dubois HTMT2 : v5.000

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