Nombre de transistors

Le nombre de transistors correspond au nombre de transistors dans un dispositif électronique (généralement sur un seul substrat ou sur une puce de silicium ). Il s'agit de la mesure la plus courante de la complexité des circuits intégrés (bien que la majorité des transistors des microprocesseurs modernes soient contenus dans des mémoires cache , qui se composent principalement des mêmes circuits de cellules mémoire répliqués plusieurs fois). Le taux d' augmentation du nombre de transistors MOS suit généralement la loi de Moore , qui observe que le nombre de transistors double environ tous les deux ans. Cependant, étant directement proportionnel à la surface d'une puce, le nombre de transistors ne représente pas le degré d'avancement de la technologie de fabrication correspondante. Une meilleure indication de cela est la densité de transistors, qui est le rapport entre le nombre de transistors d'un semi-conducteur et la surface de sa puce.

En 2023 , le nombre de transistors le plus élevé dans la mémoire flash est la puce de mémoire flash V-NAND à 16 matrices et 232 couches de 2 téraoctets ( empilée en 3D ) de Micron , avec 5,3 billions de MOSFET à grille flottante ( 3 bits par transistor ).

Le processeur à puce unique qui compte le plus grand nombre de transistors en 2020 est celui du processeur d'apprentissage profond Wafer Scale Engine 2 de Cerebras . Il dispose de 2,6 billions de MOSFET dans 84 champs exposés (matrices) sur une plaquette, fabriqués à l'aide du procédé FinFET 7 nm de TSMC .

En 2024 , le GPU avec le plus grand nombre de transistors est l'accélérateur B100 basé sur Blackwell de Nvidia , construit sur le nœud de processus 4NP personnalisé de TSMC et totalisant 208 milliards de MOSFET.

Le nombre de transistors le plus élevé dans un microprocesseur grand public en juin 2023 est de 134 milliards de transistors, dans le SoC M2 Ultra à double matrice basé sur ARM d' Apple , qui est fabriqué à l'aide du processus de fabrication de semi-conducteurs de 5 nm de TSMC .

Français En termes de systèmes informatiques composés de nombreux circuits intégrés, le supercalculateur avec le plus grand nombre de transistors en 2016 était le Sunway TaihuLight de conception chinoise , qui possède pour tous les processeurs/nœuds combinés « environ 400 trillions de transistors dans la partie traitement du matériel » et « la DRAM comprend environ 12 quadrillions de transistors, soit environ 97 % de tous les transistors ». À titre de comparaison, le plus petit ordinateur , en 2018 éclipsé par un grain de riz, avait de l'ordre de 100 000 transistors. Les premiers ordinateurs à semi-conducteurs expérimentaux n'avaient que 130 transistors mais utilisaient de grandes quantités de logique à diodes . Le premier ordinateur à nanotubes de carbone avait 178 transistors et était un ordinateur à un seul jeu d'instructions de 1 bit , tandis qu'un ordinateur ultérieur est de 16 bits (son jeu d'instructions est cependant RISC-V 32 bits ).

Les puces à transistors ioniques (processeur analogique limité « à base d'eau » ) possèdent jusqu'à des centaines de ces transistors.

Estimations du nombre total de transistors fabriqués :

• Jusqu'en 2014 :2,9 × 10 ²¹
• Jusqu'en 2018 :1,3 × 10 ²²

Un microprocesseur intègre les fonctions de l'unité centrale de traitement d'un ordinateur sur un seul circuit intégré . Il s'agit d'un dispositif polyvalent et programmable qui accepte des données numériques en entrée, les traite selon des instructions stockées dans sa mémoire et fournit des résultats en sortie.

Le développement de la technologie des circuits intégrés MOS dans les années 1960 a conduit au développement des premiers microprocesseurs. MP944 20 bits , développé par Garrett AiResearch pour le chasseur F-14 Tomcat de l' US Navy en 1970, est considéré par son concepteur Ray Holt comme le premier microprocesseur. Il s'agissait d'un microprocesseur multipuce, fabriqué sur six puces MOS. Cependant, il a été classifié par la Navy jusqu'en 1998. L' Intel 4004 4 bits , sorti en 1971, a été le premier microprocesseur monopuce.

Les microprocesseurs modernes incluent généralement des mémoires cache intégrées . Le nombre de transistors utilisés pour ces mémoires cache dépasse généralement de loin le nombre de transistors utilisés pour implémenter la logique du microprocesseur (c'est-à-dire, à l'exclusion du cache). Par exemple, la dernière puce DEC Alpha utilise 90 % de ses transistors pour le cache.

Une unité de traitement graphique (GPU) est un circuit électronique spécialisé conçu pour manipuler et modifier rapidement la mémoire afin d'accélérer la création d'images dans une mémoire tampon destinée à être affichée sur un écran.

Le concepteur désigne l' entreprise technologique qui conçoit la logique de la puce de circuit intégré (comme Nvidia et AMD ). Le fabricant (« Fab. ») désigne l' entreprise de semi-conducteurs qui fabrique la puce à l'aide de son processus de fabrication de semi-conducteurs dans une fonderie (comme TSMC et Samsung Semiconductor ). Le nombre de transistors dans une puce dépend du processus de fabrication du fabricant, les nœuds semi-conducteurs plus petits permettant généralement une densité de transistors plus élevée et donc un nombre de transistors plus élevé.

La mémoire vive (RAM) fournie avec les GPU (comme la VRAM , la SGRAM ou la HBM ) augmente considérablement le nombre total de transistors, la mémoire représentant généralement la majorité des transistors d'une carte graphique . Par exemple, la Tesla P100 de Nvidia possède 15 milliards de FinFET (16 nm) dans le GPU en plus de 16 Go de mémoire HBM2 , ce qui représente environ 150 milliards de MOSFET sur la carte graphique. Le tableau suivant n'inclut pas la mémoire. Pour connaître le nombre de transistors de mémoire, consultez la section Mémoire ci-dessous.

Un réseau de portes programmables sur site (FPGA) est un circuit intégré conçu pour être configuré par un client ou un concepteur après fabrication.

La mémoire à semiconducteur est un dispositif de stockage de données électroniques , souvent utilisé comme mémoire d'ordinateur , implémenté sur des circuits intégrés . Presque toutes les mémoires à semiconducteur depuis les années 1970 utilisent des MOSFET (transistors MOS), remplaçant les transistors à jonction bipolaire antérieurs . Il existe deux principaux types de mémoire à semiconducteur : la mémoire vive (RAM) et la mémoire non volatile (NVM). À leur tour, il existe deux principaux types de RAM : la mémoire vive dynamique (DRAM) et la mémoire vive statique (SRAM), ainsi que deux principaux types de NVM : la mémoire flash et la mémoire morte (ROM).

Les SRAM CMOS typiques se composent de six transistors par cellule. Pour les DRAM, la structure 1T1C, qui signifie un transistor et un condensateur, est courante. Le condensateur chargé ou non est utilisé pour stocker 1 ou 0. Dans la mémoire flash, les données sont stockées dans des grilles flottantes et la résistance du transistor est détectée pour interpréter les données stockées. Selon l'échelle de précision avec laquelle la résistance peut être séparée , un transistor peut stocker jusqu'à trois bits , ce qui signifie huit niveaux distincts de résistance possibles par transistor. Cependant, une échelle plus fine s'accompagne de problèmes de répétabilité, et donc de fiabilité. En général, une mémoire flash MLC 2 bits de faible qualité est utilisée pour les clés USB , donc une clé USB de 16 Go contient environ 64 milliards de transistors.

Pour les puces SRAM, les cellules à six transistors (six transistors par bit) étaient la norme. Les puces DRAM du début des années 1970 avaient des cellules à trois transistors (trois transistors par bit), avant que les cellules à un seul transistor (un transistor par bit) ne deviennent la norme depuis l'ère de la DRAM 4 Ko au milieu des années 1970. Dans la mémoire flash à un seul niveau , chaque cellule contient un MOSFET à grille flottante (un transistor par bit), tandis que la mémoire flash à plusieurs niveaux contient 2, 3 ou 4 bits par transistor.

Les puces de mémoire flash sont généralement empilées en couches, jusqu'à 128 couches en production, et 136 couches gérées, et disponibles dans les appareils d'utilisateur final jusqu'à 69 couches auprès des fabricants.

Avant l'invention des transistors, les relais étaient utilisés dans les machines à tabuler commerciales et les premiers ordinateurs expérimentaux. Le premier ordinateur numérique programmable et entièrement automatique au monde , l' ordinateur Z3 de 22 bits de longueur de mot de 1941 , avait 2 600 relais et fonctionnait à une fréquence d'horloge d'environ 4 à 5 Hz . L'ordinateur à nombres complexes de 1940 avait moins de 500 relais, mais il n'était pas entièrement programmable. Les premiers ordinateurs pratiques utilisaient des tubes à vide et une logique à diodes à semi-conducteurs . L'ENIAC avait 18 000 tubes à vide, 7 200 diodes à cristal et 1 500 relais, dont de nombreux tubes à vide contenaient deux éléments triodes .

La deuxième génération d'ordinateurs était composée d'ordinateurs à transistors , dotés de cartes remplies de transistors discrets, de diodes à semi-conducteurs et de noyaux de mémoire magnétique . L' ordinateur à transistors expérimental de 1953 à 48 bits , développé à l' Université de Manchester , est largement considéré comme le premier ordinateur à transistors à être mis en service dans le monde (le prototype avait 92 transistors à point de contact et 550 diodes). Une version ultérieure de la machine de 1955 avait un total de 250 transistors à jonction et 1 300 diodes à point de contact. L'ordinateur utilisait également un petit nombre de tubes dans son générateur d'horloge, il n'était donc pas le premier entièrement transistorisé. L'ETL Mark III, développé au Laboratoire d'électrotechnique en 1956, a peut-être été le premier ordinateur électronique à transistors utilisant la méthode du programme enregistré . Il comportait environ « 130 transistors à point de contact et environ 1 800 diodes au germanium utilisés pour les éléments logiques, et ceux-ci étaient logés dans 300 boîtiers enfichables qui pouvaient être glissés et retirés ». L' architecture décimale IBM 7070 de 1958 était le premier ordinateur à transistors à être entièrement programmable. Il comportait environ 30 000 transistors au germanium à jonction en alliage et 22 000 diodes au germanium, sur environ 14 000 cartes SMS ( Standard Modular System ). Le MOBIDIC de 1959 , abréviation de « MOBIle DIgital Computer », à 12 000 livres (6,0 tonnes courtes) monté dans la remorque d'un camion semi-remorque , était un ordinateur transistorisé pour les données du champ de bataille.

La troisième génération d'ordinateurs utilisait des circuits intégrés (CI). L' ordinateur de guidage Apollo 15 bits de 1962 utilisait « environ 4 000 circuits « Type-G » (porte NOR à 3 entrées) » pour environ 12 000 transistors plus 32 000 résistances. L' IBM System/360 , introduit en 1964, utilisait des transistors discrets dans des packs de circuits hybrides . PDP-8 12 bits de 1965 avait 1 409 transistors discrets et plus de 10 000 diodes, sur de nombreuses cartes. Les versions ultérieures, à commencer par le PDP-8/I de 1968, utilisaient des circuits intégrés. Le PDP-8 a ensuite été réimplémenté en tant que microprocesseur sous le nom d' Intersil 6100 , voir ci-dessous.

La génération suivante d'ordinateurs fut celle des micro-ordinateurs , à commencer par l' Intel 4004 de 1971 , qui utilisait des transistors MOS . Ces derniers étaient utilisés dans les ordinateurs personnels (PC).

Cette liste comprend les premiers ordinateurs à transistors (deuxième génération) et les ordinateurs à circuits intégrés (troisième génération) des années 1950 et 1960.

Le nombre de transistors pour les fonctions logiques génériques est basé sur une implémentation CMOS statique .

Historiquement, chaque élément de traitement des premiers systèmes parallèles, comme tous les processeurs de l'époque, était un ordinateur série construit à partir de plusieurs puces. À mesure que le nombre de transistors par puce augmente, chaque élément de traitement peut être construit à partir de moins de puces, et plus tard, chaque puce de processeur multicœur peut contenir davantage d'éléments de traitement.

Goodyear MPP : (1983 ?) Processeurs de 8 pixels par puce, 3 000 à 8 000 transistors par puce.

Université Brunel Scape (élément de traitement de matrice monopuce) : (1983) 256 processeurs de pixels par puce, 120 000 à 140 000 transistors par puce.

Cell Broadband Engine : (2006) avec 9 cœurs par puce, comptait 234 millions de transistors par puce.

La densité de transistors est le nombre de transistors fabriqués par unité de surface, généralement mesurée en termes de nombre de transistors par millimètre carré (mm2 ⁾ . La densité de transistors est généralement corrélée à la longueur de grille d'un nœud semi-conducteur (également appelé processus de fabrication de semi-conducteurs ), généralement mesurée en nanomètres (nm). En 2019 , le nœud semi-conducteur avec la densité de transistors la plus élevée est le nœud de 5 nanomètres de TSMC , avec 171,3 millions de transistors par millimètre carré (notez que cela correspond à un espacement transistor-transistor de 76,4 nm, bien supérieur au relatif « 5 nm »)