Pour comprendre comment les ordinateurs fonctionnent et ont été inventés, il faut revenir aux concepts de bases de la physique. Rassurez-vous, l’objectif ici n’est pas de faire un cours complet d’électronique mais simplement de vous décrire brièvement comment les circuits électroniques fonctionnent afin que vous ayez une compréhension suffisante pour que la suite ne vous paraisse pas abstraite.

Tout ce qui existe dans l’univers peut être décrit comme « de l’énergie sous différentes formes ». La matière, la lumière, le son ou la chaleur sont tous des phénomènes résultants de l’organisation et du mouvement de particules énergétiques. Les atomes, qui constituent la matière, sont formés d’un noyau composé de protons (chargés positivement) et de neutrons (sans charge), autour duquel gravitent des électrons (chargés négativement). Vous vous souvenez peut-être du schéma ci-dessous si vous l’avez vu à l’école.

Le modèle de Bohr, bien qu'il ne soit pas le plus précis que nous ayons aujourd'hui (cf. modèle de Schrödinger), permet d’avoir une représentation simpliste des atomes. (NDLR : dans la réalité, les particules ne sont pas des sphères parfaites comme ici et ne sont pas tangibles).

Quasiment toutes les particules possèdent une certaine quantité d’énergie, liée à leurs masses, à leurs vitesses et à leurs interactions avec les autres. Cependant, il existe des exceptions comme les photons, par exemple, qui sont des particules élémentaires qui n’ont pas de masse mais transportent de l’énergie sous forme de rayonnement électromagnétique (dont la lumière visible).

Les particules qui vont nous intéresser dans la suite de ce cours sont les électrons. Ils sont responsables de la plupart des phénomènes électriques. Ils peuvent se déplacer d’un atome à un autre à travers certains matériaux qui sont alors appelés des « conducteurs ». C’est par exemple le cas des métaux comme le fer ou le cuivre, dont la structure atomique laisse certains électrons faiblement liés au noyau (qu’on appelle des « électrons libres ») se déplacer d’un atome à l’autre. Le déplacement collectif de plusieurs électrons libres est ce qu’on appelle le « courant » électrique.

Le courant correspond donc à une circulation ordonnée de charges électriques à travers un conducteur. Pour que les charges aient « envie » de se déplacer, il faut les y inciter. C’est le rôle des sources de tension (prise électrique, pile, batteries, etc.). Elles contiennent 2 bornes, une positive et une négative. Il faut imaginer que la borne négative possède un surplus d'électrons (puisqu’ils sont chargés négativement contrairement aux protons), alors que la borne positive est en déficit. Quand on branche un circuit dessus, les électrons qui se repoussent entre eux (comme des aimants) dans la source vont vouloir sortir par la borne négative, alors que la borne positive, quant à elle, va vouloir attirer des électrons du circuit vers elle.

On dit que les deux bornes ont une différence de potentiel électrique. C’est cette différence qu’on appelle la « tension » électrique (mesurée en Volts). C'est la "poussée" qui met les électrons en mouvement dans le circuit. Elle va souvent de pair avec deux autres mesures pour décrire un courant électrique : « l’ampérage » qui représente la quantité de charges traversant une section du conducteur chaque seconde et la « résistance » qui représente la facilité avec laquelle les charges peuvent se déplacer dans les matériaux. Si la résistance est élevée, les électrons "frottent" et il va y avoir de la perte d’énergie sous forme de chaleur due aux collisions entre les électrons du matériau (c’est le principe avec lequel fonctionnent les grilles pain par exemple). Lorsque qu’un circuit électrique est ouvert (ex. on retire les piles de la télécommande), les électrons ne peuvent plus se déplacer doc le courant s’arrête.

Les composants et circuits électroniques exploitent ces principes pour réaliser des fonctions précises. Le véritable changement dans l’histoire de l’informatique provient de composants particuliers capables de contrôler le passage du courant selon une condition déterminée : les transistors.

Le transistor est un composant électronique capable de contrôler le passage du courant électrique. Inventé en 1947 aux laboratoires Bell, il a progressivement remplacé les tubes à vide qui avaient la même fonction mais étaient volumineux, fragiles et gourmands en énergie. Contrairement à ces derniers, le transistor est petit et constitué de matériaux solides appelés « semi-conducteurs ». Un semi-conducteur, comme son nom l'indique, possède des propriétés intermédiaires entre un conducteur et un isolant. Selon la tension du circuit dans lequel il est, il peut laisser passer ou bloquer le courant. Le semi-conducteur le plus courant (jeu de mot) est le silicium.

Les transistors sont à la base de tous les circuits électroniques modernes. Les plus populaires sont les transistors à effet de champ (MOSFET) et ils possèdent trois bornes qu'on appelle « la source, la grille et le drain ».

(NDLR : les transistors dans les ordinateurs modernes sont miniaturisés et se mesurent en nanomètres)

Dans son état normal (quand la Grille n'est pas alimentée), le silicium à l'intérieur agit comme un isolant : aucun courant ne peut passer de la Source au Drain. Le circuit dans lequel il se trouve est ouvert. Si on applique une tension sur la Grille, un champ électrique se crée et modifie les propriétés du silicium. Le matériau devient conducteur ce qui créé un canal permettant au courant de circuler librement de la Source au Drain. Coupez la tension de la Grille et le canal se referme. C'est un interrupteur parfait, sans aucune pièce mécanique, minuscule, et contrôlable par un simple signal électrique.

Le transistor a un défaut majeur par rapport aux interrupteurs de vos maison : si on coupe l'alimentation électrique, il "oublie" son état. Il ne peut pas stocker de l'information. Imaginez si votre ordinateur perdait toutes vos données à chaque fois que vous l’éteignez, ça serait problématique. Il nous faut donc une solution pour stocker des choses sans courant. La mémoire moderne est appelée Flash NAND et utilise une solution astucieuse. C’est un transistor modifié pour servir de piège à électron. On reprend le même principe (Source, Drain, Grille), mais on y ajoute un nouvel élément : une grille flottante isolée électriquement entre la Grille de contrôle et le canal de silicium.

Ce transistor à grille flottante a un fonctionnement en deux temps. Pour stocker une information et écrire une donnée dans la mémoire, on applique une forte tension positive (comme la borne + d’une batterie) sur la grille de contrôle. Cette tension est si forte qu'elle "force" des électrons venus de la source à traverser la couche d'isolant (par un phénomène quantique) et à venir se loger dans la grille flottante. Ils sont maintenant piégés. Ils ne peuvent plus s'échapper, car la grille flottante est entourée d'isolant. Pour "lire" la donnée, on applique une tension normale (positive et faible) sur la grille de contrôle, comme pour un transistor classique. Il y a alors deux cas de figure possibles :

• Il n'y a PAS d'électrons piégés. Le transistor réagit normalement : la faible tension suffit à ouvrir le canal, le courant passe.

• Il y a des électrons piégés. Ces électrons (négatifs) dans la grille flottante repoussent les nouveaux électrons qui tentent de former le canal. La faible tension de lecture n'est plus suffisante pour ouvrir le canal. Le courant ne passe pas.

En vérifiant simplement si le courant passe ou ne passe pas lors de la lecture ont sait s'il y a des électrons piégés ou non. Les électrons peuvent rester piégés des années dans la grille flottante, même sans aucune alimentation électrique. C'est une mémoire « non-volatile ». Ce composant est capable de stocker un état (courant passe / courant ne passe pas) de façon (quasi) permanente. Pour effacer l’information, il suffit d’appliquer une tension inverse (négative) forte sur la grille de contrôle de manière à expulser les électrons piégés.

Voilà l’ensemble des bases d’électroniques dont nous avons besoin pour comprendre l’informatique et la suite de ce cours. Maintenant nous savons comment fonctionnent nos deux composants principaux qui nous permettent de créer des interrupteurs et d’avoir de la mémoire pour stocker l’information.