Microprocesseurs
The Journey Inside℠, un programme d'Intel® Education.
Plus petit qu'un grain de poussière
Votre ordinateur utilise un microprocesseur pour faire son travail. Plus petite qu'un grain de poussière, cette minuscule puce de silicium contient des milliards de transistors qui fonctionnent ensemble pour vous aider à tout faire, de la rédaction d'un bulletin scolaire à la recherche sur le Web de la population actuelle d'une grande ville.
Mais qu'est-ce qu'un microprocesseur ? Comment sont-ils fabriqués ? Et comment font-ils tout ce qu'ils font ?
Leçon 1 : Le bras robotique
Pour vous, tendre la main et ramasser un objet demande peu de réflexion. Mais, et si vous vouliez utiliser un robot pour ramasser quelque chose ? Les robots sont utilisés dans de nombreuses industries différentes aujourd'hui - des usines et des entrepôts aux hôpitaux et aux centres commerciaux - pour effectuer des tâches répétitives, travailler dans des environnements dangereux pour les personnes et même rendre les expériences plus amusantes.
Pourtant, contrairement à nous, les robots ont besoin d'instructions très précises sur la manière de faire quelque chose et dans quel ordre. Programmer un robot pour faire un sandwich au beurre de cacahuète et à la gelée, par exemple, pourrait prendre des centaines d'instructions précises. C'est pourquoi les appareils robotiques utilisés dans les usines sont conçus et programmés pour effectuer quelques tâches encore et encore. Toutes les instructions dont les robots ont besoin sont stockées sur un microprocesseur.
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Leçon 2 : Récupérer, décoder et exécuter
Qu'il s'agisse de jouer à un jeu, de rédiger un rapport ou de rechercher quelque chose sur le web, le microprocesseur d'un ordinateur traite les données en suivant les trois mêmes étapes, encore et encore. Il effectue ces trois étapes à des vitesses incroyables de milliards de fois par seconde :
- Récupérer : le microprocesseur reçoit une instruction logicielle de la mémoire lui indiquant quoi faire avec les données.
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- Décoder : Le microprocesseur détermine la signification de l'instruction.
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- Exécuter : Le microprocesseur exécute l'instruction.
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Leçon 3 : Les meilleures choses viennent en petits paquets
Arrachez un cheveu de votre tête. (Vraiment.) Maintenant regardez-le. Ce n'est pas très épais, n'est-ce pas ? Eh bien, pour un fabricant de microprocesseurs, ces cheveux ressemblent à un poteau téléphonique. C'est parce qu'un cheveu humain est environ 2 000 fois plus large qu'un transistor sur un microprocesseur. Les fils entre les transistors sont encore plus fins. Ils sont plus de 8 000 fois plus fins qu'un cheveu humain.
Regardez un cheveu humain de près.
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Quelle est la largeur d'un cheveu humain ? Un cheveu humain mesure environ 80 à 100 microns de diamètre. En comparaison, un transistor ne fait que 0,065 micron de large.
Qu'est-ce qu'un micron ? C'est une unité de mesure métrique très petite. Vous connaissez probablement les repères centimétriques sur une règle. (Sinon, cherchez-les la prochaine fois que vous aurez une règle. À une extrémité de la règle, vous devriez également voir une petite étiquette CM.) Un micron équivaut à 0,0001 de centimètre. C'est 10.000 fois plus petit !
Un transistor à microprocesseur mesure alors, 0,0000065 centimètre de large. (Vous voulez cela en pouces ? C'est 0,00000255 de pouce.)
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Voyage au centre d'un microprocesseur
Il est impossible de voir de vos yeux les transistors et les circuits incroyablement petits d'un microprocesseur, mais avec un microscope, c'est possible.
Utilisez les différentes puissances de grossissement de ce microscope virtuel pour voir le fonctionnement interne d'un microprocesseur. Aux grossissements les plus élevés, vous verrez les chemins de circuit réels.
Poussière microscopique
Beaucoup de poussière est si petite que nous ne pouvons même pas la voir. Mais avec un microscope, vous pouvez. Utilisez les différentes puissances de grossissement de ce microscope virtuel pour découvrir comment un grain de poussière microscopique peut être comparé aux circuits d'un microprocesseur. Puisqu'un seul grain de poussière peut endommager un microprocesseur, vous pouvez voir à quel point il est important de fabriquer des microprocesseurs dans des installations pratiquement sans poussière.
Pour protéger les puces de la poussière pendant le processus de fabrication, elles sont fabriquées dans des salles blanches, qui peuvent être 10 000 fois plus propres qu'une salle d'opération d'hôpital.
Leçon 4 : Comment fabrique-t-on des puces si petites ?
Parce qu'un microprocesseur est fabriqué, il doit d'abord être conçu. Ce n'est pas une tâche facile. Il faut une équipe de jusqu'à 600 ingénieurs. Les ingénieurs sont confrontés à une tâche équivalant à essayer de concevoir une petite ville à partir de zéro. Quelle surface de la puce doit être réservée pour stocker temporairement des informations ? Quelle surface devrait être réservée au maintien des instructions actuellement utilisées ? Quelle surface devrait être consacrée à l'acceptation des informations ?
Une fois que les zones de la puce ont été cartographiées par objectif, le circuit doit être conçu jusqu'au transistor individuel. Avec plus de 500 millions d'entre eux dans des microprocesseurs modernes, c'est beaucoup à suivre C'est comme créer une ville en planifiant chaque pièce de chaque maison et bâtiment avant même de prendre une brique.
Leçon 5 : Recette pour un microprocesseur
Alors que le processus de conception et de fabrication d'un microprocesseur est extrêmement complexe, les composants sont plutôt simples. Dans les termes les plus élémentaires, les microprocesseurs sont composés de silicium, de quartz, de métaux, de produits chimiques et d'eau.
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Leçon 6 : Construire des gratte-ciel sur une plaquette
Avez-vous déjà tenu un immeuble de 20 étages dans la paume de votre main ? C'est ce que c'est que de tenir un microprocesseur de la taille d'un centime avec des millions de transistors.
Vous serez peut-être surpris d'apprendre qu'un seul microprocesseur est comme un gratte-ciel miniature. Un gratte-ciel a de nombreux étages et escaliers qui relient les étages. De même, les microprocesseurs sont constitués de plusieurs couches avec des circuits en escalier entre eux. Des centaines de ces « gratte-ciel » peuvent être produits sur une plaquette de silicium à la fois.
Voir une plaquette de près
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Du début à la fin, un microprocesseur prend environ deux mois à produire. La fabrication commence par une très fine plaquette de silicium. Plus de 300 étapes de fabrication plus tard, cette plaquette de silicium contient des centaines de microprocesseurs. Si vous pouviez agrandir la plaquette à la taille d'une piscine, la surface ressemblerait à une ville miniature.
Maintenant, pensez petit et demandez-vous ceci : comment de si petits circuits sont-ils placés dans une si petite puce ? Bonne question ! Aucun objet mécanique ou stylo ne pourrait établir des fils aussi incroyablement microscopiques. Au lieu de cela, les voies du courant sont créées en utilisant des solvants pour éliminer les canaux de matière. Ces canaux microscopiques sont ensuite gravés avec des produits chimiques et implantés avec des électrons pour les rendre conducteurs d'électricité.
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Explorer un microprocesseur
Cette activité vous permet de sélectionner et de visualiser des sections d'une puce à un grossissement fixe. Imaginez que vous placez un microprocesseur sur une lame de microscope et que vous le déplacez autour de la lentille.
Une fois que vous avez commencé la leçon, choisissez Sélectionner. Ensuite, utilisez votre pointeur pour saisir et faire glisser le cercle blanc vers la partie de la puce que vous souhaitez afficher. Utilisez les commandes de mise au point, d'intensité et de zoom pour perfectionner votre image.
Lorsque vous examinez le processeur, réfléchissez à la façon dont les différentes zones de la puce gèrent diverses tâches. Pouvez-vous dire ce que fait chaque zone particulière de la puce : récupérer, décoder ou exécuter ?
À moins que vous ne soyez un concepteur de puces, ce serait difficile à deviner. Les microprocesseurs avancés d'aujourd'hui avec leurs multiples couches et leurs millions de transistors sont trop complexes.
Quelle conclusion pouvez-vous faire ? Il y a une puissance de traitement incroyable pour les trois tâches dans quelque chose de plus petit que votre ongle.
Explorer les couches de puces
Les puces peuvent sembler plates, mais elles peuvent avoir jusqu'à 20 couches. Chaque couche est pleine de minuscules voies qui composent les circuits et les transistors de la puce. Il existe également des connexions microscopiques entre chaque couche.
Cette activité vous permet de vous déplacer entre les différentes couches d'une puce en vous concentrant sur différentes profondeurs. Utilisez le contrôle de profondeur de mise au point pour changer la couche visible au microscope.
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Découvrir le curriculum
En savoir plus avec The Journey Inside℠, de l'électricité au binaire en passant par l'internet.
Introduction aux ordinateurs
Cette unité fournit un bref historique de l'ordinateur, présente les quatre principaux composants d'un ordinateur et compare, les « cerveaux » informatiques avec le cerveau humain.
Circuits et commutateurs
Cette unité enseigne aux étudiants l'électricité, les circuits électriques et la différence entre les commutateurs mécaniques et non mécaniques (transistors).
Informations numériques
Cette unité explore les différences entre les systèmes de nombres décimaux et binaires et la façon dont l'information est représentée et traitée à l'aide du code binaire.
Microprocesseurs
Cette unité étudie comment les microprocesseurs traitent l'information, démontre la taille et la complexité de leurs circuits et explique comment ils sont fabriqués.
L'Internet
Cette unité définit Internet, puis explique le World Wide Web, l'hypertexte, les URL, les paquets, la bande passante, les choix de connexion, les moteurs de recherche et la nécessité d'évaluer de manière critique la qualité des informations trouvées sur le Web.
Technologie et société
Cette unité traite de l'impact des avancées technologiques sur la vie des gens, avec des exemples du passé et d'aujourd'hui. Plusieurs lectures donnent un aperçu de la manière dont l'ère numérique affecte déjà le taux de changement et de ce que nous pourrions nous attendre à voir dans un avenir proche.