Comment un morceau de silicium peut-il calculer ?

01Commander un courant avec un signal

Un transistor est un minuscule composant dans lequel un signal appliqué à une de ses parties facilite ou bloque le passage du courant ailleurs dans le composant. Rien ne bascule mécaniquement : c’est un effet électrique, qui peut servir à amplifier un son comme à représenter un oui ou un non. Cette capacité à commander un passage est la brique du calcul numérique.

Avant lui, on faisait la même chose avec des tubes à vide, des ampoules de verre chaudes et fragiles. L’ENIAC, achevé en 1945, en comptait près de 18 000 ; l’un d’eux lâchait environ tous les un ou deux jours, et il fallait alors le retrouver parmi tous les autres. Le transistor, petit, froid et fiable, a ouvert la voie à la miniaturisation. Le silicium s’est imposé parce que ses propriétés électriques se règlent finement et qu’on sait y graver, avec une précision extrême, des structures répétées des milliards de fois puis reliées entre elles.

02Donner un sens à deux niveaux

Un bit est une information qui prend deux valeurs, notées 0 et 1. Dans un circuit, ces valeurs correspondent à des plages de tension : en dessous d’un certain seuil, le circuit lit 0 ; au-dessus d’un autre, il lit 1. Entre les deux, une marge de sécurité permet de distinguer les valeurs malgré les petites perturbations. La physique reste continue ; c’est la conception du circuit qui en tire une réponse logique stable, à condition de rester dans les conditions prévues.

03Assembler une règle simple

Une porte logique combine des entrées pour produire une sortie. Une porte NON inverse la valeur : 0 devient 1 et 1 devient 0. Une porte ET produit 1 lorsque ses deux entrées valent 1. En assemblant ces portes, on construit des opérations plus complexes : un circuit capable d’additionner deux bits demande moins de trente transistors. Le calcul naît de l’organisation des composants et de la convention qui attribue un sens à leurs états.

Ces règles ne s’arrêtent pas aux nombres. Une image se décrit par des nombres qui indiquent la couleur de chacun de ses points, un son par une suite de mesures, un texte par un code attribué à chaque lettre. Le même mécanisme traite alors des photos, de la musique ou des messages, grâce à la façon dont l’information a été codée.

04Conserver et enchaîner l’information

Certains assemblages gardent un état aussi longtemps qu’ils sont alimentés : ils forment des mémoires et des registres. Une horloge rythme le circuit et les transistors changent d’état de l’ordre d’un milliard de fois par seconde. À chaque battement, des résultats sont préparés puis enregistrés pour l’étape suivante, et le programme décide des opérations à effectuer.

En 1969, chez Intel, Ted Hoff et Stanley Mazor imaginent pour une calculatrice japonaise un processeur complet sur une seule puce. En 1971, l’Italien Federico Faggin, aidé de Masatoshi Shima, parvient à en loger les 2 300 transistors dans un petit boîtier : c’est le 4004. En 2023, la puce M3 Max d’Apple en annonce 92 milliards, soit environ 40 millions de fois plus. Aucun de ces transistors ne sait ce qu’est une photo : cette fonction émerge d’un empilement de niveaux, de l’électronique jusqu’aux logiciels.

05Pourquoi le téléphone chauffe

Chaque changement d’état demande un peu d’énergie, dont une partie se dissipe en chaleur. Multipliée par des milliards de transistors et des milliards de basculements par seconde, cette petite dépense devient la chaleur que l’on sent à travers la coque. Les transistors réels laissent aussi passer des courants de fuite et ne basculent pas instantanément. Augmenter la cadence ou le nombre de composants se heurte donc à l’alimentation, au refroidissement et aux connexions.

C’est pourquoi le nombre de transistors renseigne mal, à lui seul, sur la vitesse d’une puce. Leur organisation, la mémoire disponible, les échanges internes et la chaleur à évacuer comptent autant. Un circuit peut passer une partie de son temps à attendre ses données. La miniaturisation reste une histoire de compromis physiques, partie d’un bloc de germanium et de deux pointes d’or.