Des architectures, des technologies numériques sont à choisir par les concepteurs des produits comportant uniquement des éléments numériques, et des sous-ensembles numériques de produits comportant également des éléments d'autres natures. Les choix visent à répondre au mieux aux caractéristiques numériques attendues.
On trouvera ci-après une présentation de choix possibles dans ce domaine.
Sauf cas particulier, les produits sont standard, destinés aux clients de l'entreprise.
Types de composants matériels, de logiciels
Les équipements complètement numériques, les sous-ensembles numériques d'autres natures d’équipements, sont constitués de composants matériels, de logiciels. Les principaux types de composants matériels utilisés sont des semi-conducteurs, des mémoires magnétiques, des écrans numériques, des claviers, des capteurs, des actionneurs... Les logiciels sont des OS, des logiciels applicatifs... Les dispositifs de stockage des informations, temporaire ou permanent, sont des mémoires à semi-conducteurs (mémoires centrales, registres, SSD...), des disques durs.
Architecture numérique des équipements
1) Les équipements associant des éléments numériques à d'autres natures d'éléments, comme les moyens de transport, les machines-outils, comportent parfois plusieurs sous-ensembles numériques. Ces sous-ensembles sont ou non mis en réseau, totalement ou partiellement. La mise en réseau permet de centraliser les informations sur le fonctionnement de l'équipement, de mettre en commun l'accès aux réseaux de télécommunication, des composants matériels, des logiciels. Elle a également pour conséquence d'augmenter la complexité de l'équipement, de faciliter les prises de contrôle malveillantes.
L’architecture numérique des équipements est coordonnée en totalité ou en partie. Les accès externes sont protégés. Dans les véhicules automobiles, l'architecture pour la conduite, le fonctionnement, est parfois séparée de l'architecture d'infotainement.
Les constructeurs automobiles se posent des questions sur la conception de l’architecture numérique des véhicules, son intégration dans l’architecture d’ensemble, l’utilisation ou non de sous-systèmes standard, de logiciels standard, par exemple un OS pour les automobiles.
2) Des fonctions sont à définir pour les différents types de composants matériels, de logiciels à prévoir, sur la base des fonctions attendues de l'équipement, du sous-ensemble numérique.
Les entrées/sorties sont exécutées par des composants dédiés (écrans numériques, claviers, capteurs, actionneurs...). Certains équipements comportent des interfaces utilisateurs.
L'accès à l'équipement (identification, authentification, contrôle d'accès) est exécuté à partir des informations stockées, de l'OS... Des accès à des systèmes externes sont parfois à prévoir.
Les fonctions de communication entre composants, périphériques, logiciels, avec l'extérieur, sont exécutées dans le cadre d'un bus informatique (cf. ci-après), par des composants matériels spécialisés (cartes réseau...), l'OS...
Les fonctions de stockage, de lecture/écriture des informations, les fonctions arithmétiques et logiques, sont exécutées par les processeurs, les mémoires, les logiciels concernés.
Certains équipements (robots, véhicules autonomes...) demandent une intégration des différents domaines de l'IA : analyse des données, traitement du langage naturel, vision artificielle...
Certaines fonctions d'entrée/sortie sont exécutées par des processeurs spécialisés, comme les processeurs graphiques, des convertisseurs analogique-numérique, par la carte mère.
Une architecture logicielle est à définir.
3) Pour augmenter la puissance d’un équipement, il est possible d’augmenter la puissance des processeurs utilisés ou d’utiliser plusieurs processeurs (multiprocessing). Les choix à faire pour les équipements multiprocesseurs ou machines parallèles, portent sur leur nature, leur nombre et leurs modalités d’interfonctionnement. La mémoire centrale est partagée (systèmes SMP), distribuée (NUMA) ou partagée/distribuée (DSM).
Deux processeurs ne sont en général pas aussi puissants qu’un processeur de puissance double. Les processeurs sont exploitables par un ou plusieurs programmes. Les programmes qui ont besoin de plusieurs processeurs pour être exécutés doivent être conçus et développés en tenant compte de cette particularité.
Des processeurs graphiques (GPU) sont utilisés pour répondre aux besoins de capacité de l’IA. Des NPU commencent à être utilisées.
4) Des architectures redondantes permettent d’augmenter le niveau de disponibilité des équipements.
5) Des ordinateurs commencent à être réalisés sur la base de technologies quantiques.
Composants matériels, logiciels standard ou sur mesure
1) Les constructeurs achètent sur le marché, ou conçoivent et développent eux-mêmes, les composants matériels numériques, les logiciels nécessaires.
Avantages des composants matériels et de logiciels standard du marché : ils sont parfois moins coûteux, plus performants, car conçus par des fournisseurs spécialisés. Cette solution permet de limiter les investissements en conception et développement, de réduire le nombre des technologies à maîtriser.
Avantages des composants matériels et de logiciels conçus et développés sur mesure : ils permettent une différenciation concurrentielle ; les composants, les logiciels obtenus sont en général mieux adaptés que des composants et logiciels standard à la conception d’ensemble de l'équipement ; une collaboration entre les équipes de conception est souvent fructueuse et permet de concevoir de meilleurs produits ; le constructeur de l'équipement est indépendant des fournisseurs de composants, de logiciels ; il maîtrise mieux la conception de l'équipement.
Beaucoup de constructeurs achètent sur le marché des logiciels standard (OS, logiciels applicatifs) conçus et réalisés par des éditeurs de logiciels. D’autres conçoivent et développent eux-mêmes certains logiciels (par exemple les OS, les navigateurs web).
Beaucoup de constructeurs achètent leurs semi-conducteurs sur le marché. D’autres, comme Apple, IBM, conçoivent et développent au moins une partie des semi-conducteurs qu’ils utilisent. Apple, par exemple, considère que le matériel et le logiciel fonctionnent mieux ensemble quand ils sont conçus et développés par un seul constructeur. Des spécialistes de l’informatique quantique ont des idées analogues.
Apple veut réduire sa dépendance par rapport aux fournisseurs de microprocesseurs, avec pour objectifs de garder la maîtrise des microprocesseurs qui équipent ses produits phares, comme l’iPhone, de se distinguer de ses concurrents qui utilisent des microprocesseurs du marché, de conserver une certaine avance technologique, d’améliorer l’autonomie électrique des équipements, en réduisant la consommation des microprocesseurs, d’intégrer dans les produits futurs de capacités multimédia et notamment graphiques, difficiles voire impossibles à trouver dans l’offre du marché, de garantir la confidentialité sur ses développements.
Les autres constructeurs de smartphones (Samsung, Huawei...) ont tendance à faire des choix analogues.
Des constructeurs comme NEC, Toshiba ou Panasonic, maîtrisent l’ensemble de la chaîne de conception, développement, fabrication de leurs produits, des logiciels, des composants matériels, des technologies nécessaires, dans une logique d’intégration verticale.
Pour les constructeurs automobiles, des questions se posent sur l’utilisation ou non de sous-ensembles numériques standard, de logiciels standard, par exemple un OS pour les automobiles, sur la conception et le développement de logiciels spécifiques. En 2017, Renault a repris des équipes informatiques d'Intel en France, et a créé Renault Digital. Les constructeurs de moteurs d’avion, par exemple, développent eux-mêmes les très grands logiciels nécessaires à leur fonctionnement.
Les constructeurs automobiles s'interrogent sur leur positionnement dans le développement des logiciels installés sur leurs véhicules. Les constructeurs de moteurs d’avion, par exemple, développent eux-mêmes les très grands logiciels nécessaires à leur fonctionnement.
2) Les constructeurs qui ne développent pas eux-mêmes les logiciels ont à choisir des logiciels standard et notamment des OS (pour micro-ordinateurs, téléphones mobiles, serveurs). Les critères de choix sont par exemple la nature des traitements réalisés, le prix, la diffusion du logiciel, les possibilités d’évolution, les contraintes définies par l’éditeur. Pour Android, par exemple, Google demande au constructeur de s’engager à intégrer ses applications.
Échanges d'informations entre les composants matériels
Le choix du bus informatique est réalisé en général à partir de critères tels que la largeur de la bande passante, la possibilité de connexion à chaud de nouveaux périphériques, la possibilité d’accès en parallèle à deux modules mémoire. Des normes ont été définies pour les bus informatiques, comme PCI-Express, RS-232, USB.
Sécurité, protection des informations
Les ordinateurs comportent, surtout ceux qui sont des points d’accès pour des informations provenant de l’extérieur, des dispositifs de sécurité tels que composants matériels (par exemple un processeur sécurisé qui réalise des traitements cryptographiques), mémoire stockant des éléments secrets, système d’exploitation sécurisé, interface logicielle sécurisée avec les logiciels applicatifs.
Les équipements peuvent comporter des dispositifs spéciaux, physiques et logiques, pour le contrôle des accès aux logiciels, aux informations, par exemple pour l’utilisation de cartes à puces, pour la biométrie.
Des technologies de type DRM permettent la protection des données sur les supports physiques.
Il est souvent écrit que la sécurité des objets connectés est à améliorer.
Il est possible de chiffrer la mémoire centrale.
Composants matériels, périphériques
1) La puissance des microprocesseurs, la capacité des puces mémoire dépendent du nombre des éléments (actifs ou passifs) utilisés. La surface des circuits intégrés étant limitée, l’augmentation du nombre des éléments est permise par l’augmentation de la finesse des gravures. Les techniques utilisées pour la gravure sont basées sur la photolithographie. Elle emploie un faisceau de rayons UV (Ultra Violet), traversant des masques pour impressionner la surface des plaquettes de silicium. On cherche à augmenter la finesse du trait. Pour cela on utilise des UV dits extrêmes, à l’extrême limite du spectre des rayons UV. Au-delà de cette limite, l’utilisation d’un synchrotron à électrons est envisagée.
La loi de Moore commence à moins s’appliquer (l’augmentation de la finesse de la gravure a des limites). On imagine d’utiliser de nouvelles technologies, d’améliorer l’organisation des composants.
2) Les puces électroniques comportent parfois du code embarqué, des kits de développement.
Mémoires à semi-conducteurs
Les mémoires à semi-conducteurs sont construites à partir de circuits intégrés.
Les architectures et les choix technologiques doivent répondre aux besoins relatifs à leur capacité, à la réduction du temps d’accès.
Des mémoires sont parfois incluses dans un processeur, comme les registres.
Les mémoires de type SSD remplacent de plus en plus les disques durs magnétiques : elles sont plus performantes, plus robustes, silencieuses. Elles sont encore beaucoup plus coûteuses, au regard de la quantité d’informations stockée.
L'augmentation de la capacité des mémoires centrales permet d'améliorer les performances des produits.
Les architectures, les choix technologiques doivent répondre aux besoins relatifs à la nature des jeux d’instructions et à la puissance des processeurs. Les constructeurs de microprocesseurs se sont lancés il y a plusieurs dizaines d’années dans une course à la puissance. Même si la loi de Moore semble ne plus devoir s’appliquer, des progrès technologiques sont encore possibles.
Un processeur est constitué d’un ou de plusieurs circuits intégrés. Les processeurs les plus répandus sont des microprocesseurs,composés d’un seul circuit intégré.
Des choix d’architecture, technologiques, sont à faire sur les éléments actifs ou passifs (tels que transistors, diodes) utilisés, leur nombre, leur organisation, l’exécution des opérations en parallèle, l’augmentation du nombre des registres, rendue possible par l’utilisation de jeux d’instructions RISC, les architectures multicœurs, la mise en place de mémoires cache.
Il est possible de réaliser un processeur selon des techniques de câblage ou de microprogrammation (un microprogramme est stocké dans une mémoire à semi-conducteurs, qui exécute le jeu d’instructions).
Un processeur se caractérise par son jeu d’instructions, le nombre de bits traité en une instruction, sa puissance, la taille de sesregistres, sa consommation électrique.
Le jeu d’instructions d’un processeur correspond à un type d’architecture. Les architectures RISC (Reduced Instruction Set Computer)sont caractérisées par un petit nombre d’instructions, de format fixe, exécutables rapidement par le processeur. Les architectures CISC(Complex Instruction Set Computer) sont caractérisées par un grand nombre d’instructions, de taille variable, plus complexes. Lesarchitectures VLIW (Very Long Instruction Word) sont aussi caractérisées par un grand nombre d’instructions, de taille variable, pluscomplexes, mais dont les opérations élémentaires qui les constituent ne dépendent pas les unes des autres, et sont donc exécutablesen parallèle par le processeur. Les architectures EPIC (Explicitly Parallel Instruction Computing) sont une forme de VLIW présentantmoins de contraintes sur les opérations élémentaires, qu’il est possible de regrouper. Les architectures DSP (Digital Signal Processor)contiennent des instructions dédiées au traitement du signal.
La puissance d’un processeur se mesure en MIPS (Million of Instructions Per Second), et en MFlops (Million of FLoating pointOperations Per Second) pour les processeurs effectuant des calculs en virgule flottante. On utilise aussi les GFlops, les TFlops et lesPFlops (Giga, Tera et PetaFlops).
Les performances d’un processeur peuvent être augmentées en mettant en place des processus parallèles, des mémoires cache, en augmentant la fréquence d'horloge, en optimisant le jeu d'instructions.
Les processeurs multicœurs sont constitués de plusieurs cœurs fonctionnant en parallèle.
Disques durs
Les choix d’architecture, de technologies, doivent répondre aux besoins relatifs à la capacité de stockage des disques durs, au temps d’accès, à la fiabilité (diminution du risque de « crash disque »), à la miniaturisation.
Les disques durs continuent à être utilisés pour des usages spécifiques, de gros volumes de stockage.
Des choix sont à faire sur les interfaces d’accès (protocoles, connectique), la densité des informations sur les plateaux, la taille, le nombre de plateaux, leur vitesse de rotation, la taille de la mémoire tampon. Parmi les protocoles d’accès aux disques durs, on trouve les standards S-ATA, SCSI et FC (Fibre Channel).
La mise en œuvre de la norme Blu-ray a permis d’augmenter la capacité de stockage des disques optiques numériques.
Les architectures, les technologies doivent répondre aux besoins relatifs à la qualité des images, à la taille des écrans, à la 3D.
Les écrans actuels sont essentiellement des écrans plats, à cristaux liquides (LCD, Liquid Crystal Display), à plasma, LED (Light Emitting Diode). Les téléviseurs et les micro-ordinateurs utilisent progressivement la technologie LED. Les écrans Oled sont haut de gamme, excellents et chers.
Les choix d’architecture, de technologies, doivent répondre aux besoins relatifs à la qualité des impressions, au prix. Les principales techniques d’impression utilisées sont l’impression thermique, à jet d’encre et à laser.
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