Worldlex Wiki Le matériel informatique , ou simplement matériel , comprend les composants physiques d'un ordinateur , tels que l' unité centrale de traitement (CPU), la mémoire vive (RAM), la carte mère , le stockage des données , la carte graphique , la carte son et le boîtier . Il inclut également les périphériques externes comme l' écran , la souris , le clavier et les haut-parleurs . À l'inverse, un logiciel est un ensemble d'instructions écrites pouvant être stockées et exécutées par un matériel. Le matériel tire son nom de sa rigidité face aux modifications, tandis que le logiciel est flexible car facile à modifier. Le matériel est généralement piloté par le logiciel pour exécuter toute commande ou instruction . Un système informatique fonctionnel est constitué de matériel et de logiciel, bien qu'il existe des systèmes composés uniquement de matériel.
En 1936, Alan Turing développa le concept de la machine de Turing universelle pour modéliser tout type d'ordinateur, démontrant ainsi qu'aucune machine ne pouvait résoudre le problème de la décision . La machine de Turing universelle était un type d' ordinateur à programme enregistré capable de reproduire le fonctionnement de n'importe quelle machine de Turing (modèle d'ordinateur) à partir des instructions logicielles qui lui étaient transmises. Le stockage des programmes informatiques est essentiel au fonctionnement des ordinateurs modernes et constitue le lien entre le matériel et le logiciel. Auparavant, au milieu du XIXe siècle, le mathématicien George Boole avait inventé l'algèbre de Boole , un système logique où chaque proposition est soit vraie, soit fausse. L'algèbre de Boole est aujourd'hui à la base des circuits qui modélisent les transistors et autres composants des circuits intégrés constituant le matériel informatique moderne. En 1945, Turing acheva la conception d'un ordinateur (l' Automatic Computing Engine ) qui ne fut jamais construit.
À cette époque, les progrès technologiques réalisés dans le domaine des relais et des tubes à vide ont permis la construction des premiers ordinateurs. S'appuyant sur les travaux de Babbage, des ordinateurs à relais ont été construits par George Stibitz aux Laboratoires Bell et par Howard Aiken de l'Université Harvard , qui a conçu le MARK I. [ en 1945, le mathématicien John von Neumann , travaillant sur le projet ENIAC à l' Université de Pennsylvanie , a mis au point l' architecture de von Neumann , qui a servi de modèle à la plupart des ordinateurs modernes. L'architecture de von Neumann comprenait une mémoire centralisée stockant à la fois les données et les programmes, une unité centrale de traitement (CPU) ayant un accès prioritaire à la mémoire, ainsi que des unités d'entrée/sortie (E/S) . Von Neumann utilisait un bus unique pour le transfert des données, ce qui signifie que sa solution au problème de stockage, consistant à placer les programmes et les données côte à côte, a créé le goulot d'étranglement de von Neumann lorsque le système tente d'accéder aux deux simultanément, ce qui ralentit souvent ses performances.
architecture informatique
L'architecture informatique implique de trouver un équilibre entre différents objectifs, tels que le coût, la vitesse, la disponibilité et l'efficacité énergétique. Les concepteurs doivent posséder une connaissance approfondie des exigences matérielles et des divers aspects de l'informatique, des compilateurs à la conception de circuits intégrés . Le coût est également devenu une contrainte majeure pour les fabricants qui cherchent à proposer des produits moins chers que leurs concurrents offrant des composants matériels très similaires. Les marges bénéficiaires ont ainsi diminué. Même lorsque les performances n'augmentent pas, le coût des composants a baissé au fil du temps grâce à l'amélioration des techniques de fabrication, qui réduisent le nombre de composants rejetés lors du contrôle qualité .
Architecture du jeu d'instructions
L'architecture de jeu d'instructions (ISA) la plus courante — l'interface entre le matériel et le logiciel d'un ordinateur — est basée sur celle conçue par von Neumann en 1945. Malgré la séparation de l'unité de calcul et du système d'entrée/sortie dans de nombreux schémas, le matériel est généralement partagé, un bit de l'unité de calcul indiquant si elle est en mode calcul ou en mode entrée/sortie. Parmi les types d'ISA courants, on trouve le CISC ( ordinateur à jeu d'instructions complexe ), le RISC ( ordinateur à jeu d'instructions réduit ), les opérations vectorielles et les modes hybrides. Le CISC utilise un jeu d'expressions plus étendu afin de minimiser le nombre d'instructions nécessaires à la machine. Partant du constat que seules quelques instructions sont couramment utilisées, le RISC réduit le jeu d'instructions pour plus de simplicité, ce qui permet également l'intégration de davantage de registres . Après l'invention de l'architecture RISC dans les années 1980, les architectures RISC, qui utilisaient le pipeline et la mise en cache pour accroître les performances, ont supplanté les architectures CISC, notamment dans les applications où la consommation d'énergie ou l'encombrement étaient limités (comme les téléphones mobiles ). De 1986 à 2003, le taux d'amélioration annuel des performances matérielles a dépassé 50 %, permettant le développement de nouveaux appareils informatiques tels que les tablettes et les téléphones mobiles. Parallèlement à la densité des transistors, la mémoire DRAM, ainsi que le stockage sur mémoire flash et sur disque magnétique, sont devenus exponentiellement plus compacts et moins coûteux. Le rythme de cette progression a ralenti au XXIe siècle.
Au XXIe siècle, les gains de performance sont dus à une exploitation accrue du parallélisme . Les applications sont souvent parallélisables de deux manières : soit une même fonction s’exécute sur plusieurs zones de données ( parallélisme de données ), soit différentes tâches peuvent être exécutées simultanément avec une interaction limitée ( parallélisme de tâches ). Ces formes de parallélisme sont prises en charge par diverses stratégies matérielles, notamment le parallélisme au niveau des instructions (comme le pipeline d’instructions ), les architectures vectorielles et les unités de traitement graphique (GPU) capables d’implémenter le parallélisme de données, le parallélisme au niveau des threads et le parallélisme au niveau des requêtes (ces deux derniers implémentant le parallélisme au niveau des tâches).
Microarchitecture
La microarchitecture , également appelée organisation de l'ordinateur, concerne les aspects matériels de haut niveau, tels que la conception du processeur, de la mémoire et de l' interconnexion mémoire . La hiérarchie mémoire garantit que la mémoire à accès rapide (et plus coûteuse) est située plus près du processeur, tandis que la mémoire plus lente et moins coûteuse, destinée au stockage de grande capacité, est située plus loin. La mémoire est généralement segmentée afin de séparer les programmes des données et de limiter la capacité d'un attaquant à modifier les programmes. La plupart des ordinateurs utilisent la mémoire virtuelle pour simplifier l'adressage des programmes, le système d'exploitation se chargeant de mapper la mémoire virtuelle sur différentes zones de la mémoire physique, dont la capacité est limitée.
Refroidissement
Les processeurs d'ordinateur génèrent de la chaleur, et une chaleur excessive affecte leurs performances et peut endommager les composants. De nombreuses puces informatiques réduisent automatiquement leurs performances pour éviter la surchauffe. Les ordinateurs sont généralement équipés de mécanismes de dissipation de la chaleur excessive, tels que des systèmes de refroidissement à air ou à liquide pour le processeur et la carte graphique, et des dissipateurs thermiques pour d'autres composants, comme la mémoire vive . Les boîtiers d'ordinateur sont souvent ventilés pour faciliter la dissipation de la chaleur. Les centres de données utilisent généralement des solutions de refroidissement plus sophistiquées afin de maintenir une température de fonctionnement acceptable pour l'ensemble du centre. Les systèmes de refroidissement par air sont plus courants dans les centres de données plus petits ou plus anciens, tandis que les systèmes de refroidissement par immersion liquide (où chaque ordinateur est entouré d'un fluide de refroidissement) et le refroidissement direct sur puce (où le fluide de refroidissement est dirigé vers chaque puce) peuvent être plus coûteux, mais sont également plus efficaces. La plupart des ordinateurs sont conçus pour être plus puissants que leur système de refroidissement, mais leur fonctionnement continu ne peut pas dépasser la capacité de ce dernier. Bien que les performances puissent être temporairement augmentées lorsque l'ordinateur ne chauffe pas ( overclocking ), afin de protéger le matériel contre la surchauffe, le système réduira automatiquement les performances ou arrêtera le processeur si nécessaire. Les processeurs s'éteignent également ou passent en mode basse consommation lorsqu'ils sont inactifs afin de réduire la chaleur. L'alimentation électrique et la dissipation thermique sont les aspects les plus complexes de la conception matérielle, et constituent le facteur limitant le développement de puces plus petites et plus rapides depuis le début du XXIe siècle. L'augmentation des performances implique une augmentation proportionnelle de la consommation d'énergie et des besoins en refroidissement.
Types de systèmes matériels informatiques
Ordinateur personnel
L' ordinateur personnel est l'un des types d'ordinateurs les plus courants en raison de sa polyvalence et de son prix relativement bas.
- Un ordinateur de bureau se compose d'un écran , d'un clavier , d'une souris et d'un boîtier . Ce dernier abrite la carte mère , un disque dur (fixe ou amovible) pour le stockage des données, le bloc d'alimentation et peut contenir d'autres périphériques tels qu'un modem ou une interface réseau. Sur certains modèles, l'écran, le clavier, le processeur et le bloc d'alimentation sont intégrés au même boîtier. Cette séparation des composants permet à l'utilisateur de les agencer de manière esthétique et pratique, mais implique la gestion des câbles d'alimentation et de données.
- Les ordinateurs portables sont conçus pour être portables, mais fonctionnent de manière similaire aux ordinateurs de bureau. Ils peuvent utiliser des composants moins puissants ou plus petits, avec des performances inférieures à celles d'un ordinateur de bureau de prix équivalent. Les ordinateurs portables regroupent le clavier, l'écran et le processeur dans un seul boîtier. L'écran, intégré au couvercle supérieur rabattable du boîtier, peut être fermé pour le transport afin de protéger l'écran et le clavier. Au lieu d'une souris, les ordinateurs portables peuvent être équipés d'un pavé tactile ou d'un dispositif de pointage .
- Les tablettes sont des ordinateurs portables dotés d'un écran tactile comme principal périphérique d'entrée. Elles sont généralement plus légères et plus petites que les ordinateurs portables. Certaines tablettes intègrent un clavier dépliable ou permettent de connecter un clavier externe. Certains modèles d'ordinateurs portables sont équipés d'un clavier détachable, ce qui permet de les utiliser comme une tablette tactile. On les appelle parfois ordinateurs portables 2-en-1 détachables ou ordinateurs hybrides tablette-ordinateur portable. Les téléphones mobiles sont conçus pour offrir une autonomie prolongée et un poids léger, tout en proposant moins de fonctionnalités que les ordinateurs de bureau. Leur architecture matérielle est diverse et comprend souvent des antennes, des microphones, des appareils photo, des GPS et des haut-parleurs. Les connexions d'alimentation et de données varient d'un téléphone à l'autre.
ordinateurs à grande échelle
- Un ordinateur central est un ordinateur beaucoup plus volumineux, occupant généralement une pièce entière et dont le prix peut être des centaines, voire des milliers de fois supérieur à celui d'un ordinateur personnel. Il est conçu pour effectuer un grand nombre de calculs pour les gouvernements et les grandes entreprises.
- Dans les années 1960 et 1970, de plus en plus de services ont commencé à utiliser des systèmes moins coûteux et dédiés à des usages spécifiques tels que le contrôle des processus et l'automatisation des laboratoires . Un mini-ordinateur , ou familièrement « mini » , est une catégorie d' ordinateurs plus petits développée au milieu des années 1960 et vendue à un prix bien inférieur à celui des ordinateurs centraux et des ordinateurs de taille moyenne d' IBM et de ses concurrents directs.
- Les supercalculateurs peuvent coûter des centaines de millions de dollars. Ils sont conçus pour optimiser les performances en calcul en virgule flottante et exécuter des programmes par lots dont l'exécution peut prendre des semaines. Compte tenu de la nécessité d'une communication efficace entre les programmes parallèles , la vitesse du réseau interne est une priorité essentielle.
- clusters d'ordinateurs, popularisées par le modèle SaaS (Software as a Service) fourni via Internet . Leur conception vise à minimiser le coût par opération et la consommation d'énergie, car un entrepôt et les ordinateurs qu'il contient peuvent coûter plus de 100 millions de dollars (ces derniers devant être remplacés régulièrement). Bien que la disponibilité soit cruciale pour les produits SaaS, le logiciel est conçu pour compenser les pannes, contrairement aux supercalculateurs.
Matériel virtuel
Le matériel virtuel est un logiciel qui imite la fonction du matériel ; il est couramment utilisé dans l'infrastructure en tant que service (IaaS) et la plateforme en tant que service (PaaS).
Système embarqué
Les systèmes embarqués présentent la plus grande variation en termes de puissance de traitement et de coût : d’un processeur 8 bits pouvant coûter moins de 0,10 USD à des processeurs haut de gamme capables de milliards d’opérations par seconde et coûtant plus de 100 USD. Le coût est un facteur particulièrement important pour ces systèmes, les concepteurs choisissant souvent l’option la moins chère qui répond aux exigences de performance.
Composants
Cas
Alimentation électrique
Carte mère
La carte mère est le composant principal d'un ordinateur. C'est une carte comportant des circuits intégrés qui relie les autres parties de l'ordinateur, notamment le processeur , la mémoire vive (RAM ), les lecteurs de disques ( CD , DVD , disque dur , etc.) ainsi que tous les périphériques connectés via les ports ou les emplacements d'extension . Les puces de circuits intégrés (CI) d'un ordinateur contiennent généralement des milliards de minuscules transistors à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur (MOSFET).
Les composants directement fixés à la carte mère ou à une partie de celle-ci comprennent :
- Au moins un processeur (CPU), qui effectue la majorité des calculs nécessaires au fonctionnement d'un ordinateur. Souvent décrit comme le cerveau de l'ordinateur, le processeur extrait les instructions du programme de la mémoire vive (RAM), les décode et les exécute, puis renvoie les résultats pour traitement ultérieur par d'autres composants. Ce processus est appelé cycle d'instruction . Les processeurs modernes sont des microprocesseurs fabriqués sur un circuit intégré (CI) métal-oxyde-semiconducteur (MOS ) grâce à des techniques de fabrication de semi-conducteurs avancées , souvent la photolithographie . Ils sont généralement refroidis par un dissipateur thermique et un ventilateur ou par un système de refroidissement liquide . De nombreux processeurs actuels intègrent un processeur graphique ( GPU ), ce qui élimine le besoin d'un GPU dédié dans les systèmes de base. Les performances du processeur sont influencées par sa fréquence d'horloge, mesurée en gigahertz (GHz), les processeurs grand public courants fonctionnant entre 1 GHz et 5 GHz. De plus, on observe une tendance croissante vers les conceptions multicœurs , où plusieurs cœurs de traitement sont inclus sur une seule puce, permettant un plus grand parallélisme et des performances multitâches améliorées.
- Le bus interne relie le processeur à la mémoire principale via de multiples lignes de communication (généralement 50 à 100), divisées en bus d'adresse, de données et de contrôle, chacune gérant des types de signaux spécifiques. Historiquement, les bus parallèles étaient dominants, mais au XXIe siècle, les bus série haut débit (utilisant souvent la technologie SerDes) les ont largement remplacés, permettant un débit de données plus élevé avec moins de connexions physiques. PCI Express et USB en sont des exemples . Dans les systèmes multiprocesseurs, un bus d'interconnexion est utilisé, traditionnellement coordonné par un pont nord , qui relie le processeur, la mémoire et les périphériques haut débit tels que les cartes PCI . Le pont sud gère la communication avec les périphériques d'E/S plus lents, tels que le stockage et les ports USB. Cependant, dans les architectures modernes comme Intel QuickPath Interconnect ou les systèmes basés sur AMD Ryzen , ces fonctions sont de plus en plus intégrées au processeur lui-même, formant une architecture de type système sur puce (SoC).
- La mémoire vive (RAM) stocke le code et les données activement utilisés par le processeur, organisés selon une hiérarchie optimisée pour la vitesse d'accès et la réutilisation prévue. Au sommet de cette hiérarchie se trouvent les registres , situés au sein du cœur du processeur, offrant l'accès le plus rapide mais une capacité extrêmement limitée. En dessous des registres se trouvent plusieurs niveaux de mémoire cache — L1, L2 et parfois L3 — généralement implémentés à l'aide de mémoire vive statique (SRAM). Les caches ont une capacité supérieure à celle des registres mais inférieure à celle de la mémoire principale, et bien que plus lents que les registres, ils sont nettement plus rapides que la mémoire vive dynamique (DRAM), utilisée pour la RAM principale. La mise en cache améliore les performances en préchargeant les données fréquemment utilisées, réduisant ainsi la latence mémoire . Lorsqu'une donnée est introuvable dans le cache ( défaut de cache ), elle est récupérée depuis la mémoire principale. La RAM est volatile, ce qui signifie que son contenu est perdu en cas de coupure de courant. Dans les systèmes modernes, la DRAM est souvent de type DDR SDRAM , comme la DDR4 ou la DDR5.
- Le stockage permanent, ou mémoire non volatile, offre généralement une capacité supérieure et un coût inférieur à celui de la mémoire vive, mais son accès est beaucoup plus lent. Historiquement, ce type de stockage était généralement fourni sous forme de disque dur, mais les disques SSD ( Solid-State Disk Drives ) sont de plus en plus abordables et rapides, ce qui explique leur adoption croissante. Les clés USB et le stockage réseau ou en nuage constituent également des options.
- La mémoire morte (ROM) contient un micrologiciel tel que le BIOS (Basic Input/Output System), qui initialise le matériel pendant le processus de démarrage (également appelé amorçage ) lorsque l'ordinateur est mis sous tension. Ce micrologiciel est stocké dans une puce de mémoire non volatile, traditionnellement une ROM ou une mémoire flash , permettant des mises à jour dans les systèmes modernes via la mise à jour du micrologiciel .
- Le BIOS gère les fonctions essentielles, notamment la séquence de démarrage et la gestion de l'alimentation via la norme ACPI . Cependant, la plupart des cartes mères modernes utilisent désormais l' interface UEFI (Unified Extensible Firmware Interface ), qui offre des fonctionnalités améliorées, des temps de démarrage plus rapides, la prise en charge des tables de partition GUID (GPT) et des fonctions de démarrage sécurisé.
- La pile CMOS (MOS complémentaire) alimente la mémoire CMOS de la date et de l'heure dans la puce BIOS. Il s'agit généralement d'une pile bouton .
- Les MOSFET de puissance constituent le module régulateur de tension (VRM), qui contrôle la quantité de tension que reçoivent les autres composants matériels.
Cartes d'extension
Entrée/sortie
Ventes
Les revenus mondiaux du matériel informatique ont atteint 705,17 milliards de dollars en 2023.
Les revenus mondiaux du matériel informatique devraient atteindre 779,34 milliards de dollars en 2026, contre 705,17 milliards de dollars en 2023.
Recyclage
De nombreux matériaux utilisés dans le matériel informatique peuvent être récupérés par recyclage en vue de leur réutilisation dans la production future. La réutilisation de l'étain , du silicium , du fer , de l'aluminium et de divers plastiques couramment présents dans les ordinateurs et autres appareils électroniques contribue réduire les coûts de fabrication des nouveaux systèmes. Les composants matériels contiennent également fréquemment l' or tantale , l' argent du platine du palladium du plomb ainsi que d'autres matériaux précieux pouvant être récupérés.
Composants informatiques toxiques
L' unité centrale de traitement contient plusieurs substances toxiques. Elle peut notamment contenir du plomb et du chrome sous forme de plaques métalliques. Les résistances, les semi-conducteurs, les détecteurs infrarouges, les stabilisateurs, les câbles et les fils peuvent contenir du cadmium, tandis que les cartes de circuits imprimés peuvent également contenir du mercure et du chrome. L'élimination inappropriée de ces matériaux et produits chimiques peut engendrer de graves risques pour l'environnement.
Effets environnementaux
Lorsque les sous-produits des déchets électroniques s'infiltrent dans les eaux souterraines, sont incinérés ou mal gérés lors du recyclage, ils sont nocifs. Les problèmes de santé associés à ces toxines comprennent des troubles du développement mental, des cancers et des lésions pulmonaires, hépatiques et rénales. Les composants informatiques contiennent de nombreuses substances toxiques, comme les dioxines , les polychlorobiphényles (PCB), le cadmium , le chrome , des isotopes radioactifs et le mercure . Les cartes de circuits imprimés contiennent des quantités considérables de soudures plomb-étain, plus susceptibles de s'infiltrer dans les eaux souterraines ou de polluer l'air en cas d'incinération.
Le recyclage du matériel informatique est considéré comme respectueux de l'environnement car il empêche le rejet de déchets dangereux , notamment de métaux lourds et de substances cancérigènes, dans l'atmosphère, les décharges ou les cours d'eau. Bien que les appareils électroniques ne représentent qu'une faible part du total des déchets produits, ils sont beaucoup plus dangereux. Une législation stricte vise à imposer et à encourager l'élimination durable de ces appareils, les plus importantes étant la directive européenne relative aux déchets d'équipements électriques et électroniques (DEEE) et la loi américaine sur le recyclage des ordinateurs (NCRA).
Efforts visant à minimiser les déchets de matériel informatique
Le recyclage des appareils électroniques, ou recyclage du matériel informatique, désigne le don, la réutilisation, le broyage et la collecte générale des appareils électroniques usagés. De manière générale, ce terme fait référence au processus de collecte, d'échange, de démontage, de réparation et de recyclage des composants ou métaux contenus dans les équipements électroniques usagés ou mis au rebut, également appelés déchets électroniques (D3E). Les appareils recyclables comprennent, entre autres : les téléviseurs, les ordinateurs, les fours à micro-ondes, les aspirateurs, les téléphones fixes et portables, les chaînes hi-fi, les magnétoscopes et les lecteurs DVD ; en bref, tout appareil muni d'un cordon d'alimentation, d'une lampe ou fonctionnant sur batterie.
Certaines entreprises, comme Dell et Apple , recyclent les ordinateurs, qu'ils soient de leur propre marque ou d'une autre. Sinon, un ordinateur peut être donné à Computer Aid International , une organisation qui recycle et remet à neuf les vieux ordinateurs pour les hôpitaux, les écoles, les universités, etc.