Tubes à vide

Comment fonctionne concrètement un tube à vide ?

Pour comprendre le fonctionnement d’un tube, imaginons d’abord deux électrodes enfermées dans une ampoule dont presque tout l’air a été retiré : une cathode et une anode.

La cathode libère des électrons

La cathode est chauffée par un filament alimenté électriquement. Lorsqu’elle atteint une température suffisante, elle libère des électrons autour d’elle. Ce phénomène s’appelle l’émission thermoïonique.

Le vide à l’intérieur du tube permet à ces électrons de se déplacer sans rencontrer en permanence les molécules présentes dans l’air.

L’anode attire les électrons

L’anode est placée à une tension positive par rapport à la cathode. Comme les électrons portent une charge négative, ils sont attirés vers cette anode positive.

Les électrons se déplacent donc de la cathode vers l’anode. Ce déplacement permet la circulation d’un courant électrique dans le circuit auquel le tube est connecté.

On possède déjà ainsi un composant à deux électrodes : la diode à vide. Elle permet essentiellement au courant de circuler dans un seul sens.

La triode : ajouter une commande

Une étape décisive consiste à ajouter une troisième électrode entre la cathode et l’anode : la grille de commande. Le tube devient alors une triode.

Cette grille est constituée de fils très fins placés sur le trajet des électrons. On lui applique une tension électrique qui permet de modifier le nombre d’électrons atteignant l’anode.

Lorsque la grille est suffisamment négative, elle repousse les électrons émis par la cathode. Peu d’entre eux atteignent alors l’anode et le courant devient très faible.

Lorsque la grille est moins négative, elle repousse moins les électrons. Davantage d’entre eux atteignent l’anode et le courant augmente.

La grille agit donc comme une sorte de robinet électrique : une faible variation de tension permet de contrôler un courant beaucoup plus important entre la cathode et l’anode.

Cette propriété permet au tube d’être utilisé comme amplificateur, mais également comme interrupteur électronique.

Comment un tube peut-il représenter un 0 ou un 1 ?

Dans un ordinateur, on exploite principalement deux situations clairement distinctes :

• tube bloqué : presque aucun courant ne circule ;
• tube conducteur : un courant important circule.

Ces deux états électriques peuvent représenter les deux valeurs de la logique binaire : 0 et 1. La correspondance exacte entre état électrique et valeur binaire dépend du montage utilisé.

Un tube joue ainsi le rôle d’un interrupteur commandé électriquement, mais sans aucune pièce mécanique en mouvement.

Pourquoi les tubes sont-ils plus rapides que les relais ?

Avant l’électronique à tubes, de nombreuses machines de calcul utilisent des relais électromécaniques. Un relais ouvre ou ferme physiquement un contact grâce à un électroaimant.

Ce principe fonctionne correctement, mais chaque changement d’état nécessite le déplacement d’une petite pièce mécanique, ce qui limite fortement la vitesse.

Dans un tube à vide, aucune pièce mécanique n’a besoin de se déplacer. Une variation de tension sur la grille suffit à modifier presque immédiatement le courant.

Cette différence permet de passer de machines fonctionnant au rythme des relais à des calculateurs capables d’effectuer plusieurs milliers d’opérations par seconde.

Construire un ordinateur avec des tubes

Un ordinateur ne se construit évidemment pas avec un seul tube. Les ingénieurs associent tubes, résistances, condensateurs et autres composants afin de réaliser des fonctions logiques.

Plusieurs tubes peuvent ainsi former des portes logiques. Une porte AND produit par exemple un résultat lorsque plusieurs conditions sont réunies, tandis qu’une porte NOT inverse un état logique.

En combinant ces fonctions élémentaires, il devient possible de construire des additionneurs, des compteurs, des circuits de comparaison et finalement une unité de calcul complète.

Les bascules mémorisent temporairement un bit

Des tubes peuvent également être associés pour former un circuit possédant deux états stables : une bascule bistable, ou flip-flop.

Une bascule peut conserver son état jusqu’à ce qu’un signal lui demande d’en changer. Elle permet donc de mémoriser temporairement un bit.

En réunissant plusieurs bascules, on construit notamment des registres et des compteurs.

Les tubes ne constituent pas nécessairement la mémoire principale

Il faut distinguer les petites quantités d’informations conservées dans les registres des programmes et données stockés dans la mémoire principale.

Un ordinateur peut employer des milliers de tubes dans ses circuits logiques tout en utilisant une technologie totalement différente pour sa mémoire centrale.

Dans les années 1940 et 1950, plusieurs solutions coexistent : lignes à retard, tubes de Williams, tambours magnétiques puis mémoires à tores de ferrite.

Les tubes servent donc principalement à calculer, commuter et contrôler, même s’ils interviennent également dans certains circuits de mémorisation interne.

De la diode de Fleming à la triode de Lee de Forest

Le développement des tubes électroniques commence bien avant l’apparition des premiers ordinateurs.

En 1883, des expériences réalisées dans l’environnement de Thomas Edison mettent en évidence qu’un filament chauffé peut permettre le passage d’un courant vers une autre électrode placée dans une ampoule. Ce phénomène sera connu sous le nom d’effet Edison.

En 1904, le physicien britannique John Ambrose Fleming exploite ce phénomène pour réaliser une valve à deux électrodes : la diode à vide.

Deux ans plus tard, en 1906, Lee de Forest introduit l’Audion, doté d’une troisième électrode : la grille. Cette évolution ouvre la voie à la triode et à l’amplification électronique.

Ces composants sont d’abord utilisés dans la radio et les télécommunications avant de devenir, quelques décennies plus tard, des éléments essentiels des premiers ordinateurs électroniques.

L’ENIAC : près de 18 000 tubes

L’ENIAC illustre de manière spectaculaire l’utilisation des tubes dans le calcul électronique.

Achevé au milieu des années 1940, il comporte environ 18 000 tubes à vide, auxquels s’ajoutent des milliers de résistances, condensateurs et autres composants.

Cette électronique lui permet d’effectuer environ 5 000 additions par seconde, une vitesse considérable pour l’époque.

La contrepartie est importante : la machine occupe une grande surface, consomme énormément d’électricité et dégage une quantité considérable de chaleur.

D’autres ordinateurs des années 1940 et 1950 utilisent eux aussi des milliers de tubes. Le Whirlwind du MIT en possède environ 5 000, tandis que des ordinateurs commerciaux comme l’IBM 650 utilisent encore largement cette technologie.

Les limites des tubes à vide

Les tubes permettent de construire des ordinateurs beaucoup plus rapides que les machines électromécaniques, mais ils présentent plusieurs défauts importants.

• Ils consomment beaucoup d’énergie, notamment parce que les cathodes doivent être chauffées.
• Ils produisent beaucoup de chaleur, ce qui complique le refroidissement des machines.
• Ils prennent de la place : chaque tube possède son propre boîtier et son support.
• Ils nécessitent des alimentations complexes et parfois des tensions relativement élevées.
• Ils vieillissent et finissent par devoir être remplacés.

La question de leur fiabilité doit toutefois être nuancée. Un tube correctement utilisé peut fonctionner longtemps.

Le problème devient surtout statistique : lorsqu’une machine en comporte plusieurs milliers, même une faible probabilité de panne pour chaque composant entraîne une maintenance importante.

Le remplacement progressif par le transistor

À partir de 1947, l’apparition du transistor ouvre progressivement une nouvelle génération d’électronique.

Plus petit, moins énergivore et ne nécessitant pas de filament chauffé, il commence à remplacer les tubes dans les nouveaux ordinateurs au cours des années 1950.

Cette évolution se poursuivra ensuite avec l’apparition du circuit intégré, qui permettra de regrouper plusieurs composants électroniques sur une même puce.

Repères chronologiques

• 1883 : mise en évidence de l’effet Edison.
• 1904 : John Ambrose Fleming réalise la diode à vide.
• 1906 : Lee de Forest introduit l’Audion et ouvre la voie à la triode.
• Années 1940 : les tubes sont utilisés par milliers dans les premiers grands calculateurs électroniques.
• 1947 : apparition du transistor, qui commencera progressivement à remplacer les tubes.

Pourquoi les tubes sont-ils importants dans l’histoire de l’informatique ?

Les tubes à vide marquent une étape décisive dans le passage du calcul électromécanique au calcul électronique.

Grâce à eux, les ordinateurs peuvent remplacer les contacts mécaniques des relais par des composants commandés uniquement par des signaux électriques et atteindre des vitesses de calcul jusque-là impossibles.

Leur encombrement, leur consommation électrique et leur dégagement thermique limiteront toutefois rapidement leur utilisation à grande échelle et favoriseront leur remplacement progressif par des composants plus compacts.

Photo de couverture : Settembrini — travail personnel, domaine public.

Sur la photo, les différentes broches donnent accès aux électrodes internes — anode, grille, cathode — ainsi qu’au filament de chauffage.
Certains tubes regroupent plusieurs systèmes électroniques dans une même enveloppe, ce qui explique le nombre élevé de connexions.