Ordinateur

Un ordinateur personnel : 1.- Écran (Moniteur) ; 2.- Carte mère ; 3.- Unité Centrale (Microprocesseur) ; 4.- Mémoire vive (RAM) ; 5.- Cartes périphériques ; 6.- Bloc d'alimentation ; 7.- Lecteur-graveur de CD/DVD ; 8.- Disque dur ; 9.- Souris ; 10.- Clavier.

Un ordinateur est un appareil électronique capable de réaliser rapidement des opérations mathématiques, logiques, des manipulations de chaînes de caractères ou des recherches. Il est composé de deux grandes parties :

• L'unité centrale, enfermée dans un boîtier, où se trouve notamment la carte mère, et le processeur, qui est le centre de calcul ;
• Les périphériques d'entrée ou de sortie : on y classe le clavier, le disque dur, le lecteur de CD ou de DVD, la souris, le moniteur, l'imprimante, le scanner, etc..

Historique

Au XVe siècle, on utilisait déjà le mot « ordinateur », mais au sens de « celui qui institue quelque chose ». C'est au XXe siècle qu'il a pris son sens actuel. Il vient du latin ordinator (« celui qui règle, met en ordre ; ordonnateur »). L'ordinateur a été inventé pour aider les scientifiques à calculer. Et le terme d'ordinateur a été proposé pour remplacer celui de calculateur en 1955, par le latiniste Jacques Perret (professeur à l'université parisienne de la Sorbonne), à la demande de l'entreprise IBM. Il ne convenait plus car les ordinateurs modernes faisaient bien plus que du simple calcul. Ce terme se répandit vite parmi les utilisateurs et, en 1965, devint un nom commun.

Origine

Dès la préhistoire les humains comptent (os d’Ishango). Leur besoin est limité et l’idée de nombre suffit avec un, deux, trois et plusieurs. Mais au néolithique avec l'agriculture, les villes et la multiplication des échanges, ils ont besoin d’un support pour compter. En Mésopotamie ils utilisent les calculs, des jetons d’argile. Plusieurs systèmes de numération se développent dans le monde. Ils utilisent l’écriture et représentent chaque unité, puis chaque chiffre par des symboles. Ces symboles sont différents selon les pays et les époques (chiffres romains, arabes...).

Dans les années 1830-34, Charles Babbage a conçu et créé le premier ordinateur qui était programmé. L’utilisation de l'arithmétique, les 4 opérations : addition, soustraction, multiplication et division, devient de plus en plus fréquente. Des supports pour s'aider à calculer deviennent nécessaires. Ils prennent la forme de bouliers dès l'Antiquité, de tables (livres des comptes faits par Monsieur Barrême au XVII^ème siècle, sous le règne de Louis XIV) ou de règles à calculer. Elle est inventée en 1630 et utilisée jusqu'à l'invention des calculatrices électronique dans les années 70.

L'ENIAC, tellement grand qu'il prend tout une pièce.

L'étape suivante est la machine à calculer au XVII^ème siècle avec les modèles de Schickard, Pascal et Gottfried Leibniz. Ce sont les premiers supports automatisant la retenue, ils se basent sur le développement de la roue dentée utilisée en horlogerie. La roue dentée est gardée comme base mécanique pour construire de nouveaux instruments de calcul jusqu'au XX^ème siècle.

L’amélioration vient avec l'invention des diodes et triodes (ampoule ou lampe amplificatrice à vide vers 1930) qui vont permettre de faire des calculs plus rapides que les appareils équipés de roues dentées. Le supercalculateur ENIAC, construit en 1945, fonctionne grâce à des lampes. Cette machine pèse 30 tonnes, mesure 24 m de long pour 5 m de haut, et fait 5000 additions ou 330 multiplications par seconde. Même si l'ENIAC a une capacité de calcul très importante, il n'est pas un ordinateur car il n'a pas le même modèle de construction.

C'est en 1945 que John Von Neumann décrit une machine entièrement nouvelle. C'est un calculateur à programme enregistré dans les circuits et mémoires de l'ordinateur. Il s'inspire des travaux de deux mathématiciens anglais : Charles Babbage au XIX^ème siècle (inventeur de la machine analytique) et Alan Turing au XX^ème. Le programme donne les instructions que doit suivre l'ordinateur. Les machines précédentes avaient des programmes par cartes perforées, une invention de Jacquard pour les métiers à tisser en 1804.

Le ZX-81 mis sur le marché en 1981, est l'un des premiers ordinateurs grand public.

Le premier ordinateur est commercialisé en 1951 s'inspirant du Manchester Mark I. Il fonctionne encore avec des diodes.

La taille des machines diminue beaucoup quand les diodes sont remplacées par des transistors inventés en 1947. Les transistors sont remplacés par des circuits intégrés (inventés en 1958), puis par des microprocesseurs (1971). Le microprocesseur est une puce qui sur 10 mm² contient 2300 transistors soit la même puissance que l'ENIAC.

Au fur et à mesure des innovations les ordinateurs deviennent : plus petits, plus rapides, moins chers. Au travail comme à la maison, l'ordinateur prend place sur le bureau, il devient individuel « PC (Personnal Computer) ». Il y a de nombreuses marques d'ordinateur comme Apple, Asus, Toshiba, HP... Enfin les téléphones deviennent des vrais ordinateurs.

Différents types d'ordinateurs

Il y a plusieurs types d'ordinateurs, ils peuvent être classés selon leur taille.

Le mot "PC" veut dire "Ordinateur personnel" ("Personal Computer" en anglais). Un PC peut être un ordinateur de bureau, ou bien un ordinateur portable, conçu pour pouvoir être facilement transportable et disposant d'une batterie. Mais il n'y a pas uniquement les ordinateurs personnels, il existe d'autres types d'ordinateurs, comme les superordinateurs, qui sont des ordinateurs de grande taille, extrêmement puissants, qui sont conçus pour effectuer des calculs très complexes, par exemple pour faire de la recherche scientifique.

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  Un ordinateur fixe
• 
  Un ordinateur portable
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  Un superordinateur

Principe : onde délocalisée sur qubits

Toute la mécanique quantique est très difficile à comprendre, pas que "incompréhensible pour les 8-13 ans" mais aussi pour les scientifiques depuis plus de cent ans avec pas mal de prix Nobel qui ont essayé de comprendre la réalité quantique microscopique, bien plus mystérieuse que les sortilèges de Harry Potter (saga).

Pourtant elle est très réelle et observée sans cesse dans nos téléphones, dans les centrales nucléaires, la radioactivité, etc.. et la suprématie quantique des ordinateurs quantiques, contrairement au surnaturel de Harry Potter (personnage) imaginaire pur.

Aussi il est nécessaire d'expliquer en détails ce qui va révolutionner la vie future des "8-13 ans" dans leur vie d'adultes.

La Mécanique quantique est jugée par les adultes comme "incompréhensibles pour les 8-13 ans" (car ils n'y comprennent rien s'ils ne sont pas scientifiques ), alors que les principes ne sont pas plus complexe que Harry Potter (saga) très compréhensible pour les 8-13 ans.

Quand les ordinateurs normaux encodent ses informations avec son unité de base, le bit, l'ordinateur quantique va le faire avec le qubit (bit quantique). C'est ce bit quantique qui fait de l'ordinateur quantique une révolution dans le monde de l'informatique.

En effet, il va utiliser le principe de superposition de la Mécanique quantique qui indique qu'une particule sous forme d'une onde délocalisée peut se trouver à deux endroits ou deux états à la fois.

Cela correspond au fait que dans un ordinateur classique, un bit peut avoir deux états soit + ou soit - (par exemple 2 orientations vers le haut ou le bas comme des Spin d'électrons ou de noyaux nucléaires ou 2 états de molécules ou atomes).

A notre échelle macroscopique classique, le bit mémoire d'ordinateur classique, n'est que dans un seul état défini d'un bit : soit + soit -, mais pas une Onde sur un mélange des deux.

Mais si quantique le qubit est délocalisé, mélangé en superposition sur les 2 états, c'est à dire une onde qubit (quantum bit) délocalisée sur les 2 états + et -, formée de la superposition appelée qubit de +) et -) du type onde a(+)+b(-) avec des amplitudes de cette onde a et b libres évoluant, par exemple a=60% et b=40%.

C'est difficile à comprendre et à imaginer, car totalement en contradiction avec notre expérience de tous les jours, où on est soit au travail, soit en vacances à 900 km, mais pas dans les deux à la fois, en onde de superposition quantique.

Même Harry Potter (personnage) n'est pas capable d'effectuer des milliers de tâches en même temps comme l'onde quantique, ce qui explique la gigantesque suprématie quantique au niveau microscopique, bien plus surnaturel que la saga de Harry Potter (saga).

Le cas extrême est d'être délocalisé entre vivant et mort comme le Chat de Schrödinger qui après avoir inventé son équation d'onde similaire à celle des vagues sur l'eau, a failli la renier tellement elle est incroyable et surprenante.

Un quantum bit est une superposition de ce type d'onde délocalisée sur le bit +) et bit -) typiquement quantique et aussi étrange pour notre vie usuelle que d'être à la fois vivant et mort, comme le chat de Schrödinger.

Ainsi, un ordinateur quantique de 2 qubits 1 et 2 est décrit par une onde déjà complexe sur les 4 états, chacun de deux possibles 1+, 1- du premier qbit 1 multipliés par les deux possibles du second qbit 2 2+ et 2- sous la forme de l'onde :

a(1+)(2+)+b(1+)(2-)+c(1-)(2+)+d(1-)(2+)

avec 4 amplitudes complexes a b c d de cette onde de deux qubits qui évoluent suivant l'équation d'évolution du système avec la perturbation de notre monde extérieur.

Intrication

Les deux qubits sont intriqués dans une intrication très difficile à comprendre.

A notre échelle, ce serait deux personnes travaillant et jouant délocalisés, avec des gestes en cohérence mutuelle, comme un qui lève le bras et l'autre qui lève la jambe, en une onde cohérente bien plus complexe que celle de danseurs sur une scène de théâtre, car ce serait une onde sur une multitude de théâtres avec des danseurs cohérents dans leurs gestes entre eux sur différents théâtres.

Donc sur deux qbits on peut coder avec 4 valeurs  en 2 qubits, au lieu d'une seule  réalité en 2 bits pour un ordinateur normal.

A chaque qubit ajouté, le nombre d'amplitudes complexes de l'onde quantique est multiplié par deux.

C'est exactement pareil que le nombre de nos ancêtres dans notre Généalogie qui se multiplie par deux à chaque générations dans le passé, avec un père et une mère, calcul jugé trop difficile pour les "8-13 ans" supprimé dans Généalogie par les adultes qui jugent Harry Potter (saga) facile à comprendre par les 8-13 ans (Lire l'historique pour savoir dans Généalogie).

Ainsi 512 qubits ont une onde avec 2 puissance 512 = 1,34*10^154 coefficients d'amplitudes différents et évoluant dans une intrication hyper-complexe, impossible à comprendre dans notre monde macroscopique.

Pourtant tout notre univers est décrit par une onde quantique de ce type avec bien plus de qubits.

Cela multiplie sa puissance, et lui permet de résoudre des calculs extrêmement compliqués, qui ne seront jamais finis sur un ordinateur classique normal macroscopique, même sur des dizaines de milliards d'années.

Réalisations actuelles

Par exemple, en 2019, Google a annoncé que son ordinateur quantique (appelé Sycamore) peut faire en 200 secondes un calcul que le meilleur supercalculateur mettrait 10 000 ans à résoudre. Avec cette annonce, l'entreprise a revendiqué la suprématie quantique. Cependant, le calcul avait été surtout choisit car il demandait des compétences que les ordinateurs quantiques possédait plus que les normaux : il n'était pas réellement utile à résoudre.

Mais l'ordinateur quantique a plusieurs défauts. Il doit être à des températures très basses (environ -270 °C) pour maintenir les états quantiques stablement. Aussi, il ne doit subir aucune perturbation (comme une du champ magnétique), car sinon les états quantiques subiront la « décohérence quantique » des qubits, ce qui donnera des erreurs au calcul. La « décohérence quantique » indique la grande sensibilité d'un objet quantique à son environnement.

Différents types de qubits

N'importe quel système quantique peut être utilisé, électrons ou photons des ondes lumineuses.

Aussi il existe plusieures réalisations de qubits étudié : le qubit supraconducteur, qubit silicium, qubit à ions piégés et le qubit photonique. Pour l'instant, c'est surtout un type de qubit supraconducteur, les « transmons », dont les résultats des recherches sont les plus avancés avec des prix Nobel cette année (même un Français émigré aux US ).

Décohérence très difficile à contrôler

De fait n'importe quel système quantique isolé, molécule, supraconducteur, spins, etc.. peut servir comme ordinateur quantique, mais,

il faut pouvoir contrôler les qubits de départ le plus possible, souvent déjà très difficile et avoir le moins possible d'interactions perturbatives avec le reste du monde. Il interagit dans son évolution quantique par interférences appelées décohérence, qui font perdre très vite la cohérence de l'onde entre les phases des qbits, ce qui détruit tous les calculs en les rendant flous et faux et sans intérêt.

Aussi la réalisation est très difficile et actuellement limitée à pas trop de qubits, très en dessous de 512..

Des méthodes de corrections des erreurs par décohérence ont été proposées et sont très étudiées, car indispensables.

Les espoirs néanmoins sont tellement énormes, des calculs et simulations rigoureusement impossibles rendus possibles, décodage des messages secrets, utilisations militaires, avec des réalisations préliminaires.

Aussi les investisseurs et états sont prêts à avancer des sommes importantes.

Investissement majeurs

Le gouvernement chinois de Xi Jinping a annoncé la construction d’un laboratoire national pour les sciences de l'information quantique, de 10 milliards de dollars, en 2017. Quant au Congrès des États-Unis, il prévu un budget de 1,2 milliard de dollars pour le développement de l'informatique quantique sur 5 ans, en 2018. La même année, la Commission européenne lance le « Quantum Technologies Flagship », pour soutenir les travaux des chercheurs, avec un budget d'1 milliard d'euros.

Applications

Aujourd'hui on utilise les ordinateurs pour des choses très différentes : écrire des textes, jeux vidéo, Internet... Toutes ces fonctionnalités sont permises par des applications ou des utilitaires qui sont deux différents types de logiciels. 

La création d'un logiciel se fait par l'écriture d'un programme. Le code source est écrit dans un langage compréhensible par des humains. C'est lui qui fournit l'ensemble des instructions nécessaire à l'ordinateur, son programme. Ces instructions sont traduites en code machine, suite de 0 et de 1, le langage binaire. Le code machine est toujours visible, disponible pour les utilisateurs, mais incompréhensible. Le code source peut être gardé secret par son programmateur ou laissé à la libre disposition de ses utilisateurs.

Quand il est possible d'utiliser, de partager, d'étudier et de modifier librement le logiciel, il s'agit d'un logiciel libre (Linux) et pas d'un logiciel propriétaire (Windows).

Anecdotes

Page du carnet de notes de Grace Hopper : "First actual case of bug being found", "Premier cas de bug à être trouvé".

Le Bug

Le terme anglais "bug" désigne depuis la fin du XIX^ème un dysfonctionnement, une panne. Il est également utilisé pour les programmes, qui pourtant ne peuvent pas avoir de panne, uniquement des fautes de frappe comme tout autre texte.

Le 9 novembre 1947, le Mark II, un super calculateur de Harvard se mit soudainement en panne. Après recherche, Grace Hopper, une informaticienne, découvrit une mite qui s'y était coincée, le premier bug (insecte en anglais) de l'histoire à être identifié.

Les logiciels comme Windows ou Android sont tellement complexes qu'on découvre des "bugs" ou failles critiques sans cesse à corriger vite, plus de mille par an, sinon des hackers ou voleurs en profitent pour voler dans plus d'un milliard d'ordinateurs ou smartphones tous avec le même logiciel unique. C'est exactement comme si un milliard de maisons avec la même clé unique s'ouvraient toutes à la fois..

Richard Stallman et l'imprimante

Richard Stallman travaillait comme informaticien au MIT dans les années 80. L'imprimante du bureau tombait souvent en panne, heureusement il était possible d'accéder au code source de son pilote (logiciel) et de le modifier pour régler le problème. Au changement de la machine, la même panne arrivait mais seul le code machine (binaire) était accessible et il est incompréhensible. R. Stallman et les autre informaticiens veulent changer le code source mais le fabricant de l'imprimante refuse de le donner (logiciel propriétaire). Il réalise le danger des logiciels propriétaires et décide de s'investir pleinement dans la création de logiciels libres, comme GNU/Linux.

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• Unité centrale ;
• Carte mère ;
• Mémoire de l'ordinateur.
• Dell
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• Microsoft Windows
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• Périphérique (informatique)
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• Media-Saturn-Holding

Bibliographie

• Emmanuel Lazard et Pierre Mounier-Kuhn, Histoire Illustrée de l'Informatique (2016), EDP Sciences.

Les composants de l'ordinateur
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