Le Coin tech: le CMOS et les portes logiques

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C’est bien beau de savoir faire un transistor. Ca peut servir à quelques trucs tout seul comme un interrupteur commandé et c’est plutôt rigolo. Mais où est le rapport avec les microprocesseur à base de transistors de mon P4G? Bah oui il est où? Je lui envoie un SMS je lui demande?… Nope

Pour ceux qui auraient raté le coin tech sur le transistor MOS n’oubliez pas d’aller le lire ici http://portables4gamers.com/le-coin-tech-mais-au-fait-cest-quoi-un-transistor/:

Pour avoir un début d’explication il faut comprendre une chose une machine comprend un certain langage: le langage machine. Il s’agit de la suite de bits qui est interprétée par un microprocesseur qui éxécute un programme. C’est le seul langage qui est compris par la machine le seul qu’il puisse traiter. Ce langage est propre à un processeur (cependant certaines processeurs peuvent possèder des instructions en commun), les langages de programmation plus haut niveau sont transformés en langage machine lors de la compilation.

Et alors ça me fait une belle jambe me diriez vous? Oui peut être je n’en sais rien je ne suis pas esthéticienne mais remarquez une chose capitale. ce langage machine c’est du binaire une suite de 0 et de 1. Le 1 correspondant au niveau logique haut, le 0 au niveau logique bas. Et là paf le coup de l’interrupteur commandé tu te dis que pour faire des 0 et des 1 c’est pas mal: 0 allumé, 1 éteint. Mais avec un seul transistor on ne fait pas grand chose.

C’est pour ça que toute une logique à base de portes dites logiques est développée à partir de plusieurs transistors. La majeur partie des portes logiques développées actuellement se basent sur la technologie CMOS (Complementary Metal Oxyde Semiconductor) sur laquelle nous reviendront ultérieurement, c’est la technologie reine actuellement, le MOS constituant l’élément fondamental des circuits intégrés numériques. Par le passé les circuits logiques étaient (jusque dans les années 80) basées plutôt sur la technologie dite TTL (pour Transistor-Transistor Logic) à base de transistors bipolaires, un autre type de transistor que le MOS mais cette technologie a pour défaut une consommation plus élevée.

 

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Avant de parler de logique CMOS parlons de portes logiques. Vous allez voir c’est assez simple à comprendre. Le signal en logique binaire ne peut en théorie prendre que deux valeurs une valeur dite niveau logique bas 0 (par exemple 0V, mais ce n’est pas toujours le cas) et une valeur dite niveau logique haut 1 (de l’ordre du volt à quelques volts). En pratique le niveau logique bas est plutôt un intervalle de valeur de tension autour du niveau logique bas, idem pour le niveau logique haut il s’agit d’un certain intervalle de valeurs autour du niveau logique haut. Le signal électronique évolue donc entre deux valeurs une valeur 0 et une valeur 1. En algèbre de Boole 0 correspond à faux et 1 correspond à vrai. Raisonner à partir de l’algèbre booléen permet de mieux comprendre les portes logiques. Et le premier qui rit au fond la prochaine fois que je dis Boole risque de s’en prendre un de coup… de Boole.

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Nous avons donc notre variable X qui ne peux prendre que deux valeurs X ∈{0,1}. Une porte logique va donc effectuer une action sur la valeur de cette variable. On peut aussi agir sur plusieurs variables avec ces portes. Par exemple X et Y qui ne peuvent prendre que les valeurs 0 ou 1.Les trois portes de bases étant:

*NON (ou inverseur): comme vous l’aurez sans doute compris NON fait passer X de 1 à 0 et de 0 à 1. On note X cette fonction.

Voici la représentation schématique d’une porte NON:

http://uploads.siteduzero.com/files/298001_299000/298686.jpg

*ET: il faut que les deux variables X ET Y soient à la valeur 1 pour que la sortie prennent la valeur 1 sinon elle vaut 0. On note X . Y cette fonction.

Voici la représentation schématique d’une porte ET:

http://uploads.siteduzero.com/files/298001_299000/298688.jpg

*OU: il faut que les deux variables X OU Y soient à la valeur 1 pour que la sortie prennent la valeur 1 sinon elle vaut 0. On note X+Y cette fonction.

Voici la représentation schématique d’une porte OU :

http://uploads.siteduzero.com/files/298001_299000/298687.jpg

On peut ensuite combiner ces différentes briques de base pour former des portes NAND (NON ET pour les non anglophones), NOR (NON OU), XOR (OU exclusif)…etc. Il existe de nombreuses règles de calculs comme le théorême de De Morgan, l’associativité, la distributivité…etc qui permettent de connaitre la table de vérité (sortie en fonction de l’entrée) pour des portes et combinaisons de portes très complexes. Mais ces règles ne sont pas essentielles pour la compréhension du phénomène (je vous renvoie donc à l’article sur l’algèbre de Boole sur Wikipédia pour ceux qui voudraient creuser http://fr.wikipedia.org/wiki/Alg%C3%A8bre_de_Boole_(logique) ).

Et là incroyable on va faire le lien entre le CMOS et les portes logiques (avoue tu kiffes la transition).  Comme je vous l’ai expliqué succinctement dans l’article sur le transistor MOSFET, la différence entre un transistor MOS à canal P et un transistor MOS à canal N c’est l’inversion de leurs caractéristiques électriques. Pour simplifier s’ l’un des transistors est  passant dans certaine condition l’autre est bloqué et inversement.

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Un transistor bloqué pendant que l’autre est passant (en tout cas hors de la zone de transition) ça parait très intéressant et ça me fait penser qu’on pourrait facilement faire une porte Non avec ça. Allez mais si regarde :

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On peut évidemment faire des portes OU, ET, NAND…etc en CMOS.

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MRAM, l’électronique moléculaire (lien organique/électronique),  l’informatique quantique…etcIntéressons nous maintenant à la puissance consommée par une telle technologie pour comprendre pourquoi on l’a préféré à ce niveau au TTL qui pourtant est peu sensible aux décharges électrostatiques contrairement au CMOS (ce qui peut être gênant pour certaines utilisations). Mais aussi dans quelles conditions nos processeurs consomment plus. La puissance consommée se divise en trois grandes parties: la puissance statique consommée par la porte CMOS au repos Pstat, la puissance de court circuit (entre alimentation lors de la transition état haut à état bas) Pcc, et la puissance de commutation (due à la charge décharges de capacités) Pdyn.

06Or la puissance consommée par une porte CMOS au repos (dues aux courants de fuites) est bien plus faible que celle pour le TTL. En régime statique on peut même considéré que comme aucun courant ne passe entre l’alimentation positive (niveau haut 1) et la masse (ou le niveau bas de manière générale 0) la consommation d’une porte CMOS est nulle en régime établi. Cependant lors de la transition d’un état à un autre les deux transistors étant conducteurs en même temps pendant une faible durée il y a bien consommation d’énergie. On peut donc dire qu’en logique CMOS:

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La  consommation d’une porte CMOS est donc extrêmement réduite et ne correspond donc qu’à la consommation en régime dynamique.

Et là vous allez rire (ptet pas mais ça c’est parce que vous êtes pas atteints comme moi) mais vous allez comprendre pourquoi un processeur chauffe et donc consomme plus lorsqu’on l’overclocke et l’overvolte. La consommation n’est due qu’au régime dynamique durant la transition entre l’état haut et l’état bas (qui se fait à une fréquence f jcrois non si l’on commute à chaque cycle d’horloge) des capacités C internes au transistor vont se décharger elles se chargent déchargent d’autant plus que la différence de tension entre l’état haut et l’état bas, la tension d’alimentation Vdd, est élevée (plus c’est élevé plus on consomme comme pendant un overvolt… Oh wait). Eh oui voilà pourquoi un processeur overvolté et overclocké consomme plus et chauffe plus. Maintenant il suffit de savoir que l’énergie emmagasinée dans un condensateur c’est E=(1/2)CVdd²  soit pour une charge décharge (un cycle d’horloge) E=CVdd² Or une puissance n’est rien d’autre qu’une énergie consommée par unité de temps donc:

08La puissance consommée par un circuit en conçu à partir d’une technologie CMOS est donc proportionnelle à la fréquence de fonctionnement f, et proportionnelle au carré de la tension d’alimentation. Etonnant non? (c’était la minute de monsieur Cyclopède… ah non pardon).

La technologie CMOS est la technologie reine actuellement et depuis plus de 30ans elle a permis de conduite à l’immense boom économique et technologique de la microélectronique. Elle est assez peu chère et relativement simple à fabriquer. La course effrénée à la miniaturisation de tels circuits n’est cependant pas sans fin et d’ici 15ans les limites physiques de la loi de Moore devraient être incontournables. La recherche scientifique essaye donc de trouver ce qu’on pourra bien avoir après le CMOS qui nous a tant apporté. Les concepts Post-CMOS sont fort heureusement nombreux  et plus ou moins avancés au niveau des réalisations on pourra citer: la spintronique (électronique de spin) déjà utilisée dans les mémoires de type

 

 

 

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