Processeurs à transistors discrets ou à circuits intégrés

La complexité de conception des unités centrales de traitement s'est accrue lorsque diverses technologies ont facilité la construction de dispositifs électroniques plus petits et plus fiables. La première de ces améliorations est apparue avec l'avènement du transistor. Les processeurs transistorisés des années 1950 et des années 1960 n'ont plus besoin de faire appel à des éléments de commutation encombrants, peu fiables et fragiles comme les tubes à vide et les relais électromécaniques. Avec cette amélioration, des unités centrales de traitement plus complexes et plus fiables ont été construites sur une ou plusieurs cartes de circuit imprimé contenant des composants discrets (individuels). Au cours de cette période, une nouvelle méthode de fabrication a vu le jour, permettant de grouper un grand nombre de transistors sur une surface réduite de matériau semi-conducteur, le circuit intégré (IC) était né.

Au tout début, des circuits numériques non spécialisés, tels que les portes NOR, ont été miniaturisés dans des circuits intégrés. Les unités centrales de traitement basées sur ces modules élémentaires sont généralement appelés dispositifs à faible intégration (SSI, pour Small Scale Integration). Les circuits intégrés SSI, comme ceux utilisés dans l'ordinateur de guidage de la station spatiale Apollo, ne comptent généralement qu'une dizaine de transistors. Construire une unité centrale de traitement entièrement en circuits SSI nécessite des milliers de circuits intégrés individuels, mais consomme toujours beaucoup moins d'espace et de puissance que les montages à transistors discrets précédents. Pendant que la technologie microélectronique avançait, un nombre croissant de transistors ont été intégrés dans les circuits, de ce fait diminuant le nombre de circuits individuels nécessaires pour une unité centrale de traitement complète.

L'échelle d'intégration définit le nombre de portes par boîtier :

• SSI (small scale integration) petite : inférieur à 12 ;
• MSI (medium scale integration) moyenne : 12 à 99 ;
• LSI (large scale integration) grande : 100 à 9 999 ;
• VLSI (very large scale integration) très grande : 10 000 à 99 999 ;
• ULSI (ultra large scale integration) ultra grande : 100 000 et plus.

Ces distinctions ont peu à peu perdu de leur utilité avec la croissance exponentielle du nombre de portes. Aujourd'hui plusieurs centaines de millions de transistors (plusieurs dizaines de millions de portes) représentent un chiffre normal (pour un microprocesseur ou un circuit intégré graphique haut de gamme).

En 1964 IBM a présenté son architecture d'ordinateur System/360, qui a été employée dans une série d'ordinateurs qui pouvaient exécuter les mêmes programmes à différentes vitesses et performances. C'était significatif à un moment où la plupart des ordinateurs étaient incompatibles entre eux, même ceux construits par le même fabricant. Pour développer cette avancée, IBM mis au point le concept de microprogramme (souvent appelé « microcode »), dont l'utilisation est encore fréquente dans des unités centrales de traitement modernes. L'architecture System/360 était si populaire qu'elle a dominé le marché des ordinateurs centraux pendant plusieurs décennies laissant un héritage encore utilisé par des ordinateurs modernes comme les zSeries d'IBM. Au cours de la même année (1964), Digital Equipment Corporation (DEC) a présenté un autre ordinateur déterminant destiné au marché des ordinateurs scientifiques et de recherche, le PDP-8. DEC lancera plus tard la famille très populaire des PDP-11 qui fut à l'origine basée sur des circuits intégrés SSI puis finalement dotée de circuits LSI dès que ceux-ci furent disponibles. Contrastant avec ses prédécesseurs SSI et MSI, la première implémentation en LSI du PDP-11 comportait une unité centrale de traitement à seulement quatre circuits intégrés.

Les ordinateurs à transistors avaient plusieurs avantages certains par rapport à leurs prédécesseurs. Hormis la meilleure fiabilité et la moindre consommation d'énergie, les transistors ont permis aux processeurs de fonctionner à des vitesses beaucoup plus élevées car les temps de commutation des transistors sont beaucoup plus courts que ceux des tubes et des relais. Grâce à ces deux avancées, la fréquence d'horloge des processeurs s'est accrue considérablement pour atteindre plusieurs gigahertz. Alors que les processeurs à transistors et à circuits intégrés étaient d'usage courant, de nouveaux concepts d'architecture à haute performance comme les processeurs vectoriels et le SIMD (Simple Instruction Multiple Data - données multiples instruction simple) commencèrent à apparaître et ouvrirent la voie au développement des supercalculateurs spécialisés comme ceux qui furent réalisés par la société Cray Research.