Électronique (technique)

Un instrument électronique, l'oscilloscope, produit une représentation visuelle du signal électrique.

Un système électronique se décompose en deux parties :

• l'une gère l'énergie électrique nécessaire à son fonctionnement et aux systèmes mécaniques, acoustiques, thermiques ou autres qu'il pilote ;
• l'autre traite les signaux porteurs d'information.

Le signal électrique est la tension électrique variable qui transporte l'information. La puissance correspondante est indifférente quand il s'agit de traitement du signal ; on la rend aussi faible que possible du moment que sa faiblesse ne compromet pas l'intégrité du signal.

Les traitements les plus complexes se font ainsi avec des courants faibles. Lorsque le système demande une sortie en puissance, il ne reste qu'à transformer au mieux la puissance de l'alimentation électrique en une puissance analogue au signal. Cette partie de l'électronique s'intéresse à l'efficacité : quelle partie de l'énergie consommée par l'alimentation se retrouve dans la sortie utile. Le développement des applications d'électronique mobile, où la consommation électrique se paie d'une diminution de l'autonomie, amène à se préoccuper de l'efficacité même si les puissances sont faibles.

L'électronique s'applique fréquemment au contrôle d'un système qui implique des grandeurs mécaniques ou d'autre nature. Des capteurs permettent la conversion des grandeurs impliquées — force, pression acoustique, position, temps, etc. — en signal électrique, des actionneurs produisent les grandeurs physiques souhaitées — résistances chauffantes, moteurs, etc.

Une bonne partie des applications de l'électronique traite le signal provenant d'autres systèmes électroniques en direction d'autres systèmes électroniques.

Selon la norme internationale, l'électrotechnique regroupe l'ensemble des applications de l'électricité, incluant l'électronique[9]. En français, on a tendance à séparer les deux spécialités. L'électrotechnique traiterait la production, la distribution, la conversion de l'énergie électrique ; elle s'occuperait des courants forts, tandis que l'électronique traiterait de courants faibles. Cette différenciation historique n'a plus de raison d'être. La gestion de l'énergie concerne de très faibles puissances quand il s'agit de dispositifs autonomes, tandis que la régulation des alimentations électriques et des moteurs et la conversion entre courants alternatifs et continus font appel à l'électronique avec de fortes puissances[10].

Les impacts de l'électronique sur la vie dans la société moderne sont majeurs.

L'électronique, appliquée aux télécommunications, puis à l'informatique, participant et reliant presque toutes les productions industrielles, a élaboré des abstractions utiles dans la plupart des domaines techniques. Elle a profondément modifié la notion de signal ; ce concept, popularisé, sert soit en propre, soit comme métonymie non seulement dans l'activité industrielle, mais encore dans l'économie. Elle a produit le concept mathématique d'information, et absorbé celui, d'origine mathématique, d'algorithme.

L'électronique structure un système technique, que Marshall McLuhan appelle âge électronique[11] et Manuel Castells L'Ère de l'information[12]. Les auteurs qui commentent la « société de l'information » l'opposent le plus souvent à l'ère industrielle, que structure la circulation des objets produits en masse, bien que le développement de l'électronique corresponde à une production et une circulation plus massives d'objets matériels.

Alors que l'électronique entrait dans une phase de développement exponentiel — loi de Moore —, des auteurs ont systématisé les concepts de signal et d'information, ainsi que celui de rétroaction, également développé dans le cadre de l'électronique avec les systèmes bouclés[13], pour développer une théorie cybernétique débordant sur les sciences sociales[14], qui a largement pénétré dans le grand public par des ouvrages de science-fiction.

En une cinquantaine d'années, l'électronique a infiltré tous les secteurs de la société, ce qui a entraîné l'adaptation du système social afin que ses cohérences soient maintenues[15] - [16].

Ces adaptations concernent en particulier la production industrielle, où l'électronique de l'information, et le remplacement des automates par des robots entraînent une remise en cause du fordisme[17], en accomplissant le projet du taylorisme de retirer de l'atelier les irrationnels humains en inscrivant les procédures de production dans la mémoire des machines[18].

Pentode 6146-B.

L'électronique surgit d'emblée comme une industrie. Les derniers inventeurs du XIX^e siècle comme Edison ou Bell ont prospéré grâce aux brevets, et ont construit de grandes organisations qui les exploitent et ferment la voie aux nouveaux arrivants. L'invention du tube électronique va donner lieu à des batailles juridiques, paralysantes jusqu'à la première Guerre mondiale. Les mesures d'urgence que prend le gouvernement américain en 1916 débloque la situation afin que l'industrie produise des systèmes de communication radio pour la marine. La paix revenue, ces capacités servent à lancer, à partir de 1920, la radiodiffusion, premier usage domestique de l'électronique. Pour maintenir leur position, les industries rivales, General Electric et AT&T, organisent des laboratoires de recherche où les ingénieurs appliquent les découvertes de la physique, et orientent la recherche plutôt vers le perfectionnement des produits existants, que vers l'exploration de nouvelles voies[20].

Dès l'application de l'électronique à la radiodiffusion émerge une électronique populaire construite par des radio-amateurs et des bricoleurs. Avec le poste à galène, c'est le seul à utiliser encore un semiconducteur[20]. Des publications comme La radio mais c'est très simple, d'Eugène Aisberg, dont la première édition remonte à 1936, aident les amateurs à se perfectionner. Ce secteur fonctionne plus par échange de recettes et de procédés et expérimentation libre que par assimilation des résultats de la physique théorique. La guitare électrique émerge ainsi avant la fin des années 1920, suivie par une quantité d'instruments de musique comme le theremin ou les ondes Martenot[21].

Transistor 2N34 de 1953.

L'utilisation des semiconducteurs ouvre l'époque de l'électronique à l'état solide, qui s'oppose à l'électronique à tubes par sa taille réduite et son fonctionnement à basse tension. L'électronique à l'état solide permet d'augmenter considérablement le nombre des composants sur un circuit de même taille, et consomme beaucoup moins d'énergie que le tube[alpha 2].

Ferdinand Braun avait décrit la diode à cristal dès 1878, mais l'invention du tube, plus susceptible d'une production industrielle, l'avait fait considérer comme obsolète. La physique quantique donne dans les années 1920 une théorie à la circulation des électrons dans les métaux et explique le phénomène ; les laboratoires Bell ont constituent un groupe d'étude en 1936[22]. Des recherches analogues ont lieu en Allemagne, en Angleterre et dans d'autres pays.

La seconde Guerre mondiale mobilise les chercheurs pour le radar. Les tubes électroniques ne fonctionnent pas aux très hautes fréquences que les ingénieurs veulent atteindre, encourageant à reprendre les recherches sur les redresseurs à l'état solide, avec deux matériaux, le germanium et le silicium[23]. À la paix, les laboratoires reprennent leurs travaux. Julius Edgar Lilienfeld avait déposé un brevet de dispositif à effet de champ en 1926, mais le principe exige de contrôler parfaitement la conductivité de la couche superficielle du cristal. La recherche sur l'état de surface débouche fortuitement sur un nouveau principe[24].

La structure du premier transistor à pointes (en)[25] sur cristal de germanium que développent John Bardeen et Walter Brattain aux Laboratoires Bell fin 1947 reste très proche de la diode du récepteur à cristal de galène. À la suite de cette expérience, William Shockley élabore la première théorie du fonctionnement du transistor bipolaire[alpha 3] - [26]. Six mois plus tard, le même laboratoire produit un transistor à jonction tirée (en)[27], dont les jonctions sont constituées à la fabrication du cristal. En 1951, le laboratoire concurrent de General Electric et RCA met au point un transistor à jonctions par alliage (en)[28], dans lequel des apports forment les jonctions de part et d'autre d'un substrat. En 1954, Bell dépose les premiers brevets pour le transistor à jonctions par diffusion (en)[29]. Ce procédé va permettre la fabrication en masse. Bell est alors contraint par les autorités de céder des licences d'exploitation pour ses brevets de transistors. Parmi les acquéreurs, une compagnie japonaise qui deviendra Sony. Un nouveau venu, Texas Instruments produit le premier transistor au silicium. En 1959, Jean Hoerni, de Fairchild Semiconductor, met au point le procédé planar, qui permet la fabrication de plusieurs transistors sur le même substrat et sera ensuite constamment perfectionné[30]. La même année, Bell Labs produit un transistor à effet de champ à grille métal-oxyde, selon l'idée initiale de Lilienfeld ; mais ce procédé ne sera optimisé industriellement que vers 1985[31].

À partir de 1954, le transistor se diffuse dans le grand public avec la radio à transistors (en) portable qu'a lancée Sony[26] : « le premier récepteur radio à transistor qui sera bientôt vendu en France en grande série fonctionnera plus de 500 heures avec 3 piles de lampe de poche ! » annonce un magazine[32].

Le transistor va remplacer le tube dans presque toutes ses applications. En 1984, le Répertoire mondial des transistors contient plus de 27 000 références.

Plaquette de silicium d'un circuit intégré.

Dès les premières années de l'électronique à semiconducteurs, l'ingénieur britannique Geoffrey Dummer (en) présente le projet de fabriquer des montages électroniques complet dans un seul bloc solide, plus fiable que la multiplicité de composants soudés sur des supports.

Jack Kilby, de Texas Instruments, montre en 1958 le premier circuit intégré, un oscillateur complet fabriqué en laboratoire sur une plaquette de germanium. C'est une preuve de la viabilité de son idée originale : un semi-conducteur peut servir à constituer non seulement des transistors et des diodes, mais aussi des résistances et des condensateurs, tous les éléments d'un circuit complet[33]. Son circuit n'est cependant pas un circuit intégré monolithique : il comprend plusieurs éléments semiconducteurs assemblés dans un boîtier[34].

Au début des années 1960, la perspective de réaliser des circuits intégrés à grande échelle déclenche un enthousiasme boursier pour l'innovation électronique[35].

Le procédé planar permet de fabriquer de nombreux composants sur un seul support. On coupe ensuite le support en transistors isolés. Pour créer un circuit, il faut pouvoir isoler chacun des transistors pour qu'ils fonctionnent indépendamment. Robert Noyce ayant trouvé un procédé, Fairchild Electronics met sur le marché le premier circuit intégré monolithique, une porte logique, en 1962. C'est le procédé qui permet l'intégration à grande échelle et la fabrication en masse. Le remplacement des transistors à jonction par des transistors à effet de champ à oxyde de silicium, plus simples à fabriquer et plus petits, permet de proposer des circuits de plusieurs centaines de milliers de composants, dont les prototypes et les masques sont réalisés par lithographie à faisceau d'électrons, et qui, une fois au point, sont diffusés par centaines de milliers d'unités[36].

Le développement du circuit intégré provoque une accélération de la spécialisation de l'électronique. Des équipes optimisent les circuits et les autres électroniciens les considèrent comme des composants, à assembler selon leurs caractéristiques publiées. La théorie des circuits, dès lors, peut se baser sur des entités mathématiques, comme l'amplificateur opérationnel idéal, ou, pour la logique, des portes logiques ou des bascules.

L'électronique a créé les moyens de son propre développement, en premier lieu avec des instruments de mesure comme l'oscilloscope, qui, en rendant visible la trace des variations de tension électrique, donne corps à la notion de signal, mais aussi avec la possibilité d'effectuer des mesures sur des phénomènes fugaces.

Le développement de l'électronique a permis celui de la science et des techniques de télécommunications, puis la naissance de l'informatique.

L'électronique s'est d'abord appliquée aux réseaux téléphoniques, permettant le multiplexage des signaux, qui multiplie le nombre de communications possibles sur une même ligne. Cette application amène la théorie de l'échantillonnage et celle de l'information. Les commutateurs des lignes téléphoniques sont des automates d'autant plus complexes que, pour optimiser l'utilisation des lignes, on admet que plusieurs chemins sont possibles pour réaliser une liaison. Électromécaniques aux débuts, ils réalisent les commutations plus rapidement avec l'électronique logique. La théorie de l'information et l'algorithmique sont les fondements de l'informatique.

L'informatique, devenue une discipline abstraite, détachée de son support matériel, a produit les concepts et les méthodes nécessaires au développement de l'électronique elle-même : concept de système, logiciels de simulation de circuits, méthode de traitement de signal, etc.

Le développement actuel de l'électronique implique :

• la recherche d'une intégration croissante des composants, qui passe par la compréhension fine des mécanismes et phénomènes en œuvre au niveau de la physique moléculaire ou électronique (développement de nanotechnologies) ;
• la nécessité d'utiliser le plus efficacement possible l'énergie électrique.

Certains envisagent un changement complet de principes de base, passant de l'électronique logique au calcul quantique.

L'électronique a pour objet le traitement par des composants matériels du signal électrique et la distribution de la puissance électrique.

Les signaux sont classés en deux grands types :

• signaux analogiques ;
• signaux numériques.

L'étude du signal et la distinction entre le signal utile et le bruit de fond sont du domaine de la théorie de l'information.

La discipline s’intéresse au traitement des signaux analogiques, dont la grandeur est continue, mais peut être divisée en échantillons discrets[19].

Les transducteurs et leurs interfaces immédiates sont toujours analogiques. Le convertisseur analogique-numérique (CAN) permet de transformer un signal analogique en signal numérique et le convertisseur numérique-analogique (CNA), inversement. Dans ces systèmes, la limite entre numérique et analogique est indiscernable.

L'électronique numérique s'intéresse exclusivement à l'information pure, sans transport de puissance.

Elle traite des signaux échantillonnés et dont l’espace de valeurs est discret[19]. Le nombre de valeurs que peut prendre un échantillon est limité. Celles-ci sont codées par des nombres binaires. Tout signal numérique peut se réduire à une suite de valeurs binaires, avec seulement deux possibles, 0 ou 1. L’électronique numérique est utilisée en particulier dans les systèmes contenant un microprocesseur ou un microcontrôleur. Un ordinateur est constitué en majeure partie par de l’électronique numérique. Le traitement numérique du signal remplace de plus en plus le traitement analogique. Dans les applications grand public, cette évolution est particulièrement remarquable dans les domaines de l'audiovisuel : téléphonie, télévision, audio, vidéo.

Les signaux dans les circuits logiques restent des grandeurs continues. Dans les circuits logiques, les grandeurs électriques peuvent prendre une infinité de valeurs entre le maximum et le minimum. Il faut envisager toutes ces valeurs et le temps de passer de l'une à l'autre pour garantir un niveau qui signifie 1 ou 0 sans ambiguïté. L'intégrité du signal, c'est-à-dire la garantie que le signal électrique correspond au signal logique, est un objectif majeur de l'électronique numérique, d'autant plus difficile à obtenir que la cadence de renouvellement des informations est élevée.

L’électronique de puissance s'intéresse au contrôle ou à la transformation de quantités significatives d'énergie électrique.

L’électronique de puissance a comme champ d’application l’électrotechnique domestique et industrielle, où elle remplace les anciennes solutions électromécaniques.

Les questions de puissance et d'efficacité concernent aussi tous les dispositifs de l'électronique numérique, particulièrement les appareils autonomes, non reliés à une source d'énergie électrique.

Certaines disciplines de l’électronique se définissent par la place qu’occupe l’objet de l’étude dans la structure d’un système électronique, du plus élémentaire au plus complexe.

Le composant électronique se situe au niveau le plus simple. Le savoir-faire technologique regroupe l’ensemble des connaissances et outils nécessaires pour fabriquer un composant et s'appuie sur la physique des composants, qui fait essentiellement appel aux compétences dans les sciences fondamentales, telles que la physique du solide et des procédés chimiques, et aux lois de l'électricité et de l'électromagnétisme.

Le circuit électrique est le principal objet d’étude de la science de l’électronique. Un circuit électronique est un système incluant plusieurs composants électroniques associés. Le mot circuit vient du fait que le traitement s’effectue grâce à des courants électriques circulant dans les composants interconnectés, qui doit obligatoirement prendre la forme d'un parcours fermé d'un pôle du générateur à l'autre.

La théorie des circuits, issue de l'étude de l'électricité au XIX^e siècle, fournit une base à la conception des circuits électroniques.

Les systèmes électroniques modernes comportent des millions de composants élémentaires. Le génie des circuits électroniques ne s’intéresse qu’à la réalisation de fonctions (ou modules) relativement simples, nécessitant jusqu'à quelques millions de composants.

Le classement précédent se recoupe avec un classement suivant la taille des circuits électroniques considérés.

Comme son nom l’indique, elle recourt à des tubes à vide, ou tubes électroniques comme composants actifs élémentaires (diodes à vide, triodes, tétrodes, pentodes…). Elle ne subsiste guère plus aujourd’hui de certains composants d’émetteurs radio de très forte puissance, en voie de disparition, et dans des applications vintage comme, en audio, l'amplificateur pour guitare électrique à tubes.

Elle recourt à des composants élémentaires individuels ou « discrets » (par opposition à intégrés) assemblés le plus souvent sur des cartes électroniques. Ce type de conception électronique n’est guère plus utilisée que pour des montages expérimentaux ou dans le cadre de l’électronique de loisir, car elle a été supplantée par la micro-électronique. Sur une carte électronique actuelle, bien que les circuits intégrés accomplissent les principales fonctions, on trouve cependant toujours les composants discrets nécessaires à leur mise en œuvre (résistances et condensateurs essentiellement).

La miniaturisation des composants électroniques élémentaires a commencé dans les années 1950. La taille des composants élémentaires n’a cessé de diminuer, pour atteindre des dimensions de l’ordre de quelques dizaines de nanomètres. Ces progrès sont devenus possibles grâce aux avancées dans les procédés de traitement des matériaux semi-conducteurs, notamment du silicium, qui ont permis de réaliser plusieurs millions de composants élémentaires sur une surface de quelques millimètres carrés. La micro-électronique, synonyme de « électronique intégrée » s’intéresse aux systèmes utilisant des composants de dimensions micrométriques et nanométriques.

Dans les systèmes de l’électronique moderne, le préfixe « micro » commence à être obsolète, dans la mesure où l’on voit apparaître des composants dont la taille se mesure en nanomètres et parfois comparable à celle des molécules. On évoque ainsi la nano-électronique, les nanotechnologies et l’électronique moléculaire. Des avancées techniques récentes permettent même d’envisager la conception de composants basés sur la propriété des électrons et de leur spin : la spintronique.

Avec les progrès dans les micro- et nano-technologies, on observe une fusion des systèmes appartenant à différents domaines techniques (mécaniques, thermiques, optiques…) autour des circuits et systèmes électroniques. Ces fusions sont souvent appelées « systèmes à traitement de signal multi-domaine », ou « systèmes multi-domaines ». À l’origine de ces progrès sont les procédés d’usinage du silicium très évolués, qui permettent de réaliser des structures tridimensionnelles sur les mêmes cristaux de silicium avec les circuits électroniques. Cette proximité offre une interpénétration des traitements traditionnellement se déroulant dans des domaines différents, et une coexistence des signaux de différentes natures physiques (thermique, mécanique, optique…) dans un même système. Ainsi, depuis les années 1990, les microsystèmes électromécaniques (MEMS) sont produits et utilisés en grandes quantités.

Exemples de microsystèmes :

• Interrupteurs optiques[37],
• Connecteurs optiques,
• Matrices de micro-miroirs, ou DMD (Digital Micromirror Device) qui définissent les pixels : la première projection cinéma numérique publique d'Europe effectuée par Philippe Binant, en 2000, reposait sur l'utilisation d'un MOEMS développé par Texas Instruments[38],
• VCSEL à longueur d'onde variable (Diode laser à cavité verticale émettant par la surface),
• Microbolomètres (bolomètre à l'échelle micrométrique).

La modélisation des propriétés électroniques d'un circuit se base sur les principes fondamentaux de l'électricité et de l'électromagnétisme (loi d'Ohm, théorème de Gauss, loi de Lenz-Faraday), les modèles de fonctionnement des matériaux semi-conducteurs (jonction P-N, effet transistor, effet d'avalanche), les outils mathématiques et statistiques (nombre complexe, transformée de Fourier, transformée en ondelettes, loi de Gauss). Les études liées aux signaux de haute fréquence font appel aux méthodes associées à l'analyse de la propagation des ondes (équations de Maxwell). L'étude des composants électroniques au niveau atomique intègre les résultats et méthodes associées à la physique quantique.

La simulation de circuits électroniques par un modèle mathématique est un procédé très répandu et d'un niveau très avancé. Certains logiciels informatiques peuvent intégrer de nombreux paramètres, comme la température ou les champs électromagnétiques. Le modèle inclut le schéma fonctionnel et le placement des composants, le routage du signal. La conception de circuits intégrés complexes comprend des étapes intermédiaires, telles que la synthèse logique ou l'analyse des délais. Les composants électroniques programmables (microprocesseur, Circuit logique programmable, DSP) déplacent davantage encore la conception dans le domaine informatique : ils apportent la flexibilité et la baisse des coûts.

La fabrication de circuits électroniques s'est extrêmement diversifiée depuis les années 1980. Alors que la fabrication de prototypes peut toujours se faire parfois de manière artisanale, la production de grande à très grande série dans des usines de plus en plus complexes et coûteuses, permet d'obtenir une technologie toujours plus performante et plus fiable à des prix raisonnables. Alors que l'industrie de la micro-électronique demande des investissements de plus en plus importants pour suivre les évolutions techniques, les industries de technique standard sur circuit imprimé cherchent à améliorer leur rendement (robots de fabrication/assemblage/test, GPAO, délocalisations).

Une des méthodes d'assemblages les plus utilisées en industrie aujourd'hui est la technique de montage en surface (SMD, Surface-mount technology) de composants miniatures.

Les essais d'un circuit électronique sont une étape importante. Il s'agit souvent de systèmes complexes dont on ne peut garantir la fiabilité et les performances, même après de nombreuses simulations. On distingue les tests unitaires, pour la mise au point de prototypes, et les tests en série, plus ou moins automatisés, destinés à repérer les défauts de fabrication et/ou d'assemblage. De nombreux outils existent pour faciliter cette étape importante : appareillage de mesure (multimètre, oscilloscope, etc.), normes pour la mesure automatisée (JTAG, GPIB), systèmes de contrôle automatisés.

Comme tout système, un circuit électronique interagit avec son environnement. Il génère des perturbations, celles de l'environnement perturbent son fonctionnement. Ces interactions doivent être minimisées. L'intégration des composants et des systèmes les rend souvent plus sensibles aux perturbations, l'augmentation des fréquences de fonctionnement et la généralisation des systèmes radioélectriques ont augmentent le niveau global des champs perturbateurs. La compatibilité électromagnétique fait désormais partie des impératifs de la conception électronique. La taille des cellules élémentaires des composants électroniques les rend également parfois sensibles aux perturbations des particules du rayonnement cosmique. La nécessité de maintenir la température des composants dans la plage pour laquelle ils ont été conçus rend la question du transfert thermique incontournable et parfois délicat.

En 2019, l’industrie électronique française représente un chiffre d'affaires global de 15 milliards d'euros, réalisé par environ 1 100 entreprises représentant 200 000 emplois directs[39].

Réparateurs de matériel électronique aux Comores.

Le contrôle électronique des systèmes produit le plus souvent une amélioration de leur efficacité énergétique, mais ce n'est pas sans contreparties.

L'industrie électronique, comme les autres, produit une quantité de plus en plus importante de déchets comprenant de nombreux éléments précieux — contact recouverts d'or, pistes en cuivre, etc. — et/ou toxiques — brasures contenant du plomb[alpha 4], etc.. Une directive européenne sur les déchets électroniques traduite dans le droit français en 2014[40] oblige les enseignes qui vendent les équipements électroniques à les reprendre en fin de vie[41].

La multiplication du nombre d'appareils électriques et électroniques, y compris le matériel informatique et les réseaux de télécommunications augmente la consommation d'électricité, dont la production émet des gaz à effet de serre et génère de déchets (éventuellement radioactifs).

Les appareils électroniques étant presque tous des biens de consommation à courte durée de vie, ils sont renouvelés de plus en plus fréquemment. Les améliorations apportées par les fabricants trouvent donc une application rapide. Face à des produits électroniques concurrents aux fonctionnalités similaires, la consommation électrique réduite d'un appareil peut devenir un argument commercial de vente, mais les produits remplacés deviennent des déchets.

• (en) John Peter Colett, « The history of electronics : from vacuum tubes to transistors », dans John Krige & Dominique Pestre, Companion Encyclopedia to science in the twentieth century, 2003 (1^re éd. 1997) (présentation en ligne), p. 253-274.
• Michel Fleutry, Dictionnaire encyclopédique d'électronique anglais-français, La maison du dictionnaire, 1991 (ISBN 2-85608-043-X)
• Henri Lilen, Une brève histoire de l'électronique, Paris, Vuibert, 2003.
• Henri Lilen, La belle histoire des révolutions numériques : De l'électronique aux défis de l'intelligence artificielle, De Boeck supérieur, 2019 (présentation en ligne).

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