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 participe à 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 sens.
La triode : ajouter une commande
La véritable 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 ne lui demande pas de fournir un courant important : on lui applique surtout une tension électrique.
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 petite variation de tension sur la grille permet de contrôler un courant beaucoup plus important entre la cathode et l’anode.
C’est cette propriété qui permet au tube d’être utilisé soit comme amplificateur, soit comme interrupteur électronique.
Comment un tube peut-il représenter un 0 ou un 1 ?
Dans un ordinateur, on exploite surtout 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 dépend du montage électronique, mais le principe reste le même.
Un tube utilisé de cette façon joue donc un rôle comparable à celui d’un interrupteur commandé électriquement. La différence avec un interrupteur mécanique est considérable : aucune pièce n’a besoin de se déplacer.
Pourquoi 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 système fonctionne bien, mais il faut déplacer une petite pièce mécanique à chaque changement d’état. Cette opération limite la vitesse de calcul.
Dans un tube à vide, rien ne se déplace mécaniquement. Une variation de tension sur la grille suffit à modifier presque immédiatement le courant. Les circuits peuvent donc changer d’état beaucoup plus rapidement.
Cette différence permet de passer de machines effectuant leurs opérations au rythme des relais à des calculateurs capables d’en réaliser plusieurs milliers 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 pour réaliser des fonctions logiques.
Plusieurs tubes peuvent former une porte logique. 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
Deux 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 pour 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 principe physique des tubes est découvert progressivement à partir de la fin du XIXe siècle.
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. Le 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.
En 1906, Lee de Forest ajoute une grille de commande entre les deux électrodes. Son Audion constitue l’ancêtre de la triode. Il devient alors possible de contrôler et d’amplifier un signal électrique.
Cette troisième électrode transforme profondément l’électronique : la même technologie peut désormais servir à la radio, aux télécommunications puis, quelques décennies plus tard, au calcul numérique.
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 impressionnante : 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 donc de construire des ordinateurs rapides, 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 fiabilité doit cependant être nuancée. Un tube correctement utilisé peut fonctionner longtemps. Le véritable problème vient surtout du nombre : lorsqu’une machine en contient plusieurs milliers, même une faible probabilité de panne par composant entraîne une maintenance importante.
1947 : le transistor ouvre une nouvelle voie
En décembre 1947, John Bardeen et Walter Brattain démontrent aux Bell Laboratories le premier transistor à point de contact. William Shockley contribue ensuite au développement du transistor à jonction.
Le transistor peut remplir les deux grandes fonctions qui avaient fait le succès du tube : amplifier un signal et commuter entre différents états électriques.
Mais il présente un avantage décisif : il n’a pas besoin d’une cathode chauffée. Il peut donc être beaucoup plus petit, consommer moins d’énergie et produire beaucoup moins de chaleur.
Le remplacement des tubes n’est pas immédiat. Il faut encore plusieurs années pour fabriquer des transistors suffisamment fiables et économiques. Au cours des années 1950, ils commencent toutefois à s’imposer dans les nouveaux ordinateurs.
Du tube au transistor, puis au circuit intégré
Le changement de technologie est immense, mais la fonction reste comparable. Dans un tube comme dans un transistor, un signal électrique relativement faible permet de contrôler un autre courant.
Le transistor permet simplement de réaliser cette fonction dans un composant beaucoup plus petit et plus économique.
L’étape suivante consiste à fabriquer plusieurs transistors sur un même morceau de semi-conducteur : c’est le circuit intégré. Quelques années plus tard, des milliers de transistors pourront être regroupés dans un microprocesseur.
L’histoire de l’informatique électronique peut ainsi se lire comme une formidable réduction d’échelle :
tube à vide → transistor → circuit intégré → microprocesseur.
Repères chronologiques
- 1883 : mise en évidence de l’effet Edison.
- 1904 : John Ambrose Fleming réalise la diode à vide.
- 1906 : Lee de Forest ajoute une grille de commande et ouvre la voie à la triode.
- Années 1940 : les tubes sont utilisés par milliers dans les premiers grands calculateurs électroniques.
- 1947 : démonstration du premier transistor aux Bell Laboratories.
- Années 1950 : les transistors commencent progressivement à remplacer les tubes dans les nouveaux ordinateurs.
Pourquoi les tubes sont-ils importants dans l’histoire de l’informatique ?
Les tubes à vide constituent l’une des étapes décisives du passage du calcul électromécanique au calcul électronique.
Grâce à eux, il devient possible de remplacer des interrupteurs mécaniques par des composants commandés uniquement par des tensions électriques. Les ordinateurs peuvent alors fonctionner à des vitesses jusque-là impossibles à atteindre avec des relais.
Le transistor rendra ensuite ces mêmes fonctions beaucoup plus petites, fiables et économiques. Mais l’idée fondamentale est déjà là avec les tubes : utiliser un composant électronique comme interrupteur pour représenter et traiter de l’information binaire.
C’est ce principe qui relie directement les milliers de lampes de l’ENIAC aux milliards de transistors contenus aujourd’hui dans un microprocesseur.
Photo de couverture : Settembrini — travail personnel, domaine public.
Sur kla 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.
