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          Microprocesseur - Carte m?re

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          D?finitions :

          • (Informatique) Composant électronique depetite taille constitué detransistors, etchargé d'exécuter desinstructions (source : fr.wiktionary)
          • Puce électronique contenant descircuits électroniques intégrés. Egalement : «le c?ur del'ordinateur» — c'esttout ce qui compte.(source : top10hebergeurs)
          • Composant électronique découvert en1971 etcontenant plusieurs milliers detransistors sous forme miniaturisée. Au c?ur del'ordinateur, c'estlemicroprocesseur qui effectue l'ensemble descalculs nécessaires au fonctionnement desprogrammes informatiques.(source : cite-sciences)

          Un microprocesseur estun processeur dont lescomposants ont été suffisamment miniaturisés pour être regroupés dansun unique circuit intégré. Fonctionnellement, leprocesseur estla partie d'un ordinateur qui exécute lesinstructions ettraite lesdonnées desprogrammes.

          Intel 4004 dansson boîtier à16 broches.
          Intel 80486DX2.

          Jusqu'au début desannées 1970, lesdifférents composants électroniques formant un processeur ne pouvaient tenir surun seul circuit intégré. On devait par conséquent lesplacer surplusieurs circuits intégrés. En1971, la société américaine Intel réussit, pour la première fois, àplacer l'ensemble destransistors qui forment un processeur surun seul circuit intégré donnant ainsi naissance au microprocesseur[1].

          Cette miniaturisation a permis :

          Les principales caractéristiques d'un microprocesseur sont :

          Tout ceci estthéorique, dansla pratique, selon l'architecture duprocesseur, lenombre decycles d'horloge pour réaliser une opération élémentaire peut fluctuer d'un cycle àplusieurs dizaines par unité d'exécution (typiquement une surun processeur classique).

          A titre d'exemple, un processeur A cadencé à400 MHz peut être plus rapide qu'un autre B lui cadencé à1 GHz, tout dépend deleurs architectures respectives.

          La combinaison descaractéristiques précédentes détermine la puissance dumicroprocesseur. La puissance d'un microprocesseur s'exprime enMillions d'Instructions Par Seconde (MIPS) . Danslesannées 1970, lesmicroprocesseurs effectuaient moins d'un million d'instructions par seconde, lesprocesseurs actuels (en 2007) peuvent effectuer plus de10 milliards d'instructions par seconde.

          Histoire

          Illustration dela loi dite de«progression géométrique» qui régit l'évolution dunombre detransistors surlespuces desilicium. Source : adapté deNanoinformatique etintelligence ambiante - Inventer l'ordinateur duXXIe siècle Jean-Baptiste Waldner, Hermes Science, Londres, 2007 (avec la permission del'auteur).

          Le microprocesseur a été découvert par deux ingénieurs d'Intel : Marcian Hoff (surnommé Ted Hoff) etFederico Faggin. Marcian Hoff a formulé l'architecture dumicroprocesseur (une architecture debloc etun jeu d'instructions) en1969. Federico Faggin a découvert la conception dumicroprocesseur (méthodologie deconception nouvelle pour la puce etla logique, fondée pour la première fois surla technologie silicon gate développé par lui en1968 chez Fairchild ; conception decircuits etdela logique ; nouveau layout ; plusieurs nouvelles solutions techniques) en1970. Federico Faggin a aussi dirigé la conception dupremier microprocesseur jusqu'à son introduction surlemarché en1971[4].


          En 1990, Gilbert Hyatt a revendiqué la paternité dumicroprocesseur ense basant surun brevet qu'il avait déposé en1970. La reconnaissance del'antériorité dubrevet deHyatt aurait permis àce dernier deréclamer desredevances surl'ensemble desmicroprocesseurs fabriqués depar lemonde. Cependant, lebrevet deHyatt a été invalidé en1995 par l'office américain desbrevets surla base dufait que lemicroprocesseur décrit dansla demande debrevet n'avait pas été réalisé etn'aurait d'ailleurs pas pu l'être avec la technologie disponible au moment dudépôt dubrevet.

          Le premier microprocesseur commercialisé, le15 novembre 1971, estl'Intel 4004 4-bits. Ilfut suivi par l'Intel 8008. Ce microprocesseur a servi originellement àfabriquer descontrôleurs graphiques enmode texte, mais jugé trop lent par leclient qui enavait demandé la conception, ildevint un processeur d'usage général. Ces processeurs sontlesprécurseurs desIntel 8080, Zilog Z80, etdela future famille desIntel x86.

          Le tableau suivant décrit lesprincipales caractéristiques desmicroprocesseurs fabriqués par Intel etmontre leur fulgurante évolution àla fois enaugmentation dunombre detransistors, enminiaturisation descircuits etenaugmentation depuissance. Ilfaut garder àl'esprit que si ce tableau décrit l'évolution desproduits d'Intel, l'évolution desproduit desconcurrents on suivis avec plus ou moins d'avance ou retard la même marche.

          Un programme informatique est , par essence, un flux d'instructions exécutées par un processeur. Chaque instruction nécessite un àplusieurs cycles d'horloge, l'instruction estexécuté entout autant d'étape que decycle indispensable. Lesmicroprocesseurs séquentiels exécutent l'instruction suivante quand ils ont terminé l'instruction encour. Danslecas duparallélisme d'instruction, lemicroprocesseurs pourra traiter plusieurs instructions danslemême cycle d'horloge, àcondition que ces instructions différentes ne mobilisent pas simultanément une unique ressource interne. C'estàdire, leprocesseur exécute desinstructions qui se suivent, etne sontpas dépendantes l'une del'autre, àdifférents stades d'achèvement. Cette file d'exécution àvenir se nomme un pipeline. Ce mécanisme a été implémenté la première fois danslesannées 1960 par IBM.

          Les processeurs plus évolués exécutent enmême temps tout autant d'instructions qu'ils ont depipelines, ce àla condition que l'ensemble desinstructions àexécuter parallèlement ne soient pas interdépendantes, autrement dit que, lerésultats del'exécution dechacune d'entre elles ne modifie pas lesconditions d'exécution del'une desautres. Lesprocesseurs dece types sontnommés processeurs superscalaires. Lepremier ordinateur a être équipé dece type deprocesseur était leSeymour Cray CDC 6600en1965. L'Intel Pentium 5 estlepremier desprocesseurs superscalaires pour compatible PC.

          Aujourd'hui, lesconcepteurs deprocesseur ne cherchent pas simplement àexécuter plusieurs instructions indépendantes enmême temps, ils cherchent àoptimiser letemps d'exécution dela totalité desinstructions. Par exemple leprocesseur peut trier lesinstructions defaçon àce que tous ses pipelines contiennent desinstructions indépendantes. Ce mécanisme se nomme l'exécution out-of-order. Ce type deprocesseur s'estvu consacré pour lesmachines grand public àpartir desannées 1980 etjusqu'aux années 1990[5].

          L'exemple canonique dece type depipeline estcelui d'un processeur RISC, encinq étapes. LeIntel Pentium 4 dispose de35 étages depipeline[6]. Un compilateur optimisé pour ce genre deprocesseur apportera un code qui sera exécuté plus rapidement.

          Pour éviter une perte detemps liée àl'attente denouvelles instructions etenparticulier ledélais derechargement ducontexte entre chaque changement dethreads, lesfondeurs[7] ont ajouté àleurs processeurs desprocédés d'optimisations pour que lesthreads puissent partager lespipelines, lescaches etlesregistres. Ces procédés, regroupé sous l'appellation Simultaneous Multi Threading, ont été mis au point danslesannées 1950. Par contre, pour obtenir une augmentation desperformances, lescompilateurs doivent prendre encompte ces procédés, ilfaut par conséquent re-compiler lesprogrammes pour ces types deprocesseurs. Intel a commencé àproduire, début desannées 2000, desprocesseurs implémentant la technologie SMT àdeux voies. Ces processeurs, lesXeon, peuvent exécuter simultanément deux threads qui se partagent lesmêmes pipelines, caches etregistres. Intel a nommé cette technologie SMT àdeux voies : l'Hyperthreading. LeSuper-threading est , quant àlui, une technologie SMT dansla quelle plusieurs threads partagent aussi lesmêmes ressources, mais ces threads ne s'exécutent que l'un après l'autre etnon simultanément.

          Depuis longtemps déjà, existait l'idée defaire cohabiter plusieurs processeurs au seins d'un même composant, par exemple lesSystem on Chip. Cela consistait, par exemple, àajouter au processeur, un coprocesseur arithmétique, un DSP, voir un cache mémoire peut-être même l'intégralité descomposants qu'on trouve surune carte mère. Desprocesseurs utilisant deux ou quatre cores sontpar conséquent apparus comme par exemple lePOWER4 d'IBM sorti en2001. Ildisposent destechnologies citées préalablement. Lesordinateurs qui disposent dece type deprocesseurs coûte moins cher que l'achat d'un nombre équivalent processeurs, cependant, lesperformances ne sontpas directement identique, cela dépend duproblème traité. DesAPI spécialisées ont été développées pour tirer parti au mieux deces technologies, comme leThreading Building Blocksd'Intel.

          DateNomNombre de
          transistors
          Finesse de
          gravure (µm)
          Fréquence
          de l'horloge
          Largeur
          des données
          MIPS
          197140042 300108 kHz4 bits/4 bits bus
          197480806 00062 MHz8 bits/8 bits bus0,64
          1979808829 00035 MHz16 bits/8 bits bus0,33
          198280286134 0001,56 à16 MHz (20 MHz chez AMD) 16 bits/16 bits bus1
          198580386275 0001,516 à40 MHz32 bits/32 bits bus5
          1989804861 200 000116 à100 MHz32 bits/32 bits bus20
          1993Pentium3 100 0000,8 à0,2860 à233 MHz32 bits/64 bits bus100
          1997Pentium II7 500 0000,35 à0,25233 à450 MHz32 bits/64 bits bus300
          1999Pentium III9 500 0000,25 à0,13450 à1 400 MHz32 bits/64 bits bus510
          2000Pentium 442 000 0000,18 à0,0651,3 à3,8 GHz32 bits/64 bits bus1 700
          2004Pentium 4D «Prescott»125 000 0000,09 à0,0652.66 à3,6 GHz32 bits/64 bits bus9 000
          2006Core 2? Duo291 000 0000,0652,4 GHz (E6600) 64 bits/64 bits bus22 000
          2007Core 2? Quad2*291 000 0000,0653 GHz (Q6850) 64 bits/64 bits bus2*22 000 (?)
          2008Core 2? Duo (Penryn) 410 000 0000,0453,33 GHz (E8600) 64 bits/64 bits bus~24 200
          2008Core 2? Quad (Penryn) 2*410 000 0000,0453,2 GHz (QX9770) 64 bits/64 bits bus~2*24 200
          2008Intel Core i7 (Nehalem) 731 000 0000,045 (2008)
          0,032 (2009)
          2,66 GHz (Core i7 920)
          3,33 GHz (Core i7 Ext. Ed. 975)
          64 bits/64 bits bus?
          2009Intel Core i5/i7 (Lynnfield) 774 000 0000,045 (2009)
          2,66 GHz (Core i5 750)
          2,93 GHz (Core i7 870)
          64 bits/64 bits bus?
          2010Intel Core i7 (Gulftown) 1 170 000 0000,0323,33 GHz (Core i7 980X) 64 bits/64 bits bus?


          Date : l'année decommercialisation dumicroprocesseur.
          Nom : lenom dumicroprocesseur.
          Nombre detransistors : lenombre detransistors contenus danslemicroprocesseur.
          Finesse degravure (µm)  : lediamètre (en micromètres) duplus petit fil reliant deux composantes dumicroprocesseur. Encomparaison, l'épaisseur d'un cheveu humain estde100 microns.
          Fréquence del'horloge : la fréquence del'horloge dela carte mère qui cadence lemicroprocesseur. MHz = million (s) decycles par seconde. GHz = milliard (s) decycles par seconde.
          Largeur desdonnées : lepremier nombre indique lenombre debits surlequel une opération estfaite. Lesecond nombre indique lenombre debits transférés àla fois entre la mémoire etlemicroprocesseur.
          MIPS : lenombre demillions d'instructions effectuées par lemicroprocesseur enune seconde.

          Microprocesseur PowerPC 4755.
          Microprocesseur ARM60.
          Microprocesseur Intel Core 2 Duo.

          Familles demicroprocesseurs

          Les microprocesseurs sontgénéralement regroupés enfamilles, selon lejeu d'instructions qu'ils exécutent. Ce jeu d'instructions comprend, fréquemment, une base commune àtoute la famille, fréquemment lesmicroprocesseurs lesplus récents d'une famille présentent denouvelles instructions. La rétrocompatibilité au sein d'une famille n'estpar conséquent pas forcément assurée. Par exemple un programme dit compatible x86 écrit pour un processeur 80386, qui permet la protection mémoire, pourrait ne pas fonctionner pas surdesprocesseurs antérieurs, mais fonctionne surl'ensemble desprocesseurs plus récents (par exemple un Core Duo d'Intel ou un Athlon d'AMD).

          Il existe plusieurs familles demicroprocesseurs :

          Parmi lesfamilles moins connues dugrand public :

          Rapidité d'exécution desinstructions

          Fréquence defonctionnement

          Les microprocesseurs sontcadencés par un signal d'horloge (signal oscillant régulier imposant un rythme au circuit). Au milieu desannées 1980, ce signal avait une fréquence de4 àMHz. Danslesannées 2000, cette fréquence atteint 4 GHz. Plus cette fréquence estélevée, plus lemicroprocesseur peut exécuter àun rythme élevé lesinstructions debase desprogrammes.

          L'augmentation dela fréquence présente desinconvénients :

          Overclocking

          Article détaillé : overclocking.

          L'overclocking consiste àforcer l'augmentation dela fréquence dusignal d'horloge dumicroprocesseur (comparé aux recommandations dufabriquant), pour pouvoir exécuter plus d'instructions àchaque seconde.

          Optimisation duchemin d'exécution

          Les microprocesseurs actuels sontoptimisés pour exécuter plus d'une instruction par cycle d'horloge, ce sontdesmicroprocesseurs avec desunités d'exécution parallélisées. Deplus ils sontpourvus deprocédures qui «anticipent» lesinstructions suivantes avec l'aide dela statistique.

          Dans la course àla puissance desmicroprocesseurs, deux méthodes d'optimisation sontenconcurrence :

          1. La technologie RISC (Reduced Instruction Set Computer, jeu d'instructions simple), rapide avec desinstructions simples detaille standardisée, facile àfabriquer etdont on peut monter la fréquence del'horloge sans trop dedifficultés techniques.
          2. La technologie CISC (Complex Instruction Set Computer), dont chaque instruction complexe nécessite plus decycles d'horloge, mais qui a enson c?ur énormément d'instructions pré-câblées.

          Néanmoins, avec la diminution dela taille despuces électroniques etl'accélération desfréquences d'horloge, la distinction entre RISC etCISC a presque totalement disparu. Àl'endroit où desfamilles tranchées existaient, on observe actuellement desmicroprocesseurs où une structure interne RISC apporte dela puissance tout enrestant compatible avec une utilisation detype CISC (la famille Intel x86 a ainsi subi une transition entre une organisation originellement particulièrement typique d'une structure CISC. Aujourd'hui elleutilise un c?ur RISC particulièrement rapide, s'appuyant surun dispositif deréarrangement ducode à la volée) mis en?uvre, enpartie, grâce àdesmémoires cache deplus enplus grandes, comportant jusqu'à trois niveaux.

          Structure d'un microprocesseur

          L'unité centrale d'un microprocesseur comprend principalement :

          Certains registres ont un rôle particulièrement spécifique :

          Seul leProgram Counter estindispensable, ilexiste de(rares) processeurs ne comportant pas deregistre d'état ou pas depointeur depile (par exemple leNS32000).

          L'unité decontrôle peut aussi se décomposer :

          Fabrication desmicroprocesseurs

          La fabrication d'un microprocesseur estprincipalement semblable àcelle den'importe quel circuit intégré. Ellesuit par conséquent un procédé complexe. Mais l'énorme taille etcomplexité dela majorité desmicroprocesseurs a tendance àaugmenter toujours lecoût del'opération.

          La loi deMoore, qui indique que ledegré d'intégration desmicroprocesseurs double l'ensemble des18 mois, indique aussi que lescoûts deproduction doublent enmême temps que ledegré d'intégration.

          La fabrication desmicroprocesseurs estactuellement reconnue comme l'un desdeux facteurs d'augmentation dela capacité desunités defabrication (avec lescontraintes liées àla fabrication desmémoires àgrande capacité). La finesse dela gravure industrielle a atteint 45 nm en2006[8]. Endiminuant toujours la finesse degravure, lesfondeurs se heurtent aux règles dela mécanique quantique.

          Fonctions àdévelopper

          Organisation parallèle

          Selon lesystème d'exploitation, la tendance actuelle estl'installation deplusieurs processeurs parallèles etdemultiples tâches d'où l'importance grandissante desfonctions d'arbitrages entre processus (par exemple l'hyper threading). Eneffet, l'architecture super scalaire (mise enparallèle destâches dansune unité d'exécution) desprocesseurs actuels ne suffit aujourd'hui plus au multi-threading tel qu'il estutilisé.

          En revanche, lesprocesseurs àplusieurs c?urs exigent que soit étudiée deprès la répartition destâches entre eux si on ne veut pas voir observer un ralentissement desopérations; c'estce qu'on appelle lesaffinités entre processeurs (processor affinity).

          Sécurité etlocation

          Il existe denombreux projets d'intégration au c?ur desmicroprocesseurs defonctions visant àempêcher lescopies illégales defichiers (technologies DRM). Leconsortium Trusted Computing Group, surtout, a déjà créé despuces servant àcréer une "zone deconfiance" au sein dudispositif informatique, avec une puce d'identification spécifique. Certains modèles d'ordinateurs, comme lesportables d'IBM intègrent déjà detelles puces. La prochaine génération decette technologie sera certainement intégrée danslesprocesseurs centraux desordinateurs.

          Ces technologies sontdécriées, surtout par despartisans dulogiciel libre, pour qui elles possèdent un potentiel liberticide. Eneffet, conjuguées àun système d'exploitation prévu àcet effet, par exemple dérivé duprojet NGSCB deMicrosoft, ce type detechnologie permet au tiers deconfiance (le prestataire qui va vérifier la validité descomposants dudispositif) d'accéder àdistance au contenu del'ordinateur, ou alors d'empêcher l'exécution decertaines opérations surce dernier. Linus Torvalds estime inapproprié decomparer un logiciel àun contenu, etapprouve complètement la protection descontenus par leurs propriétaires, quoiqu'il considère que celle deslogiciels ne soit pas une bonne idée pour ceux qui la pratiquent[9].

          Mémoire étendue

          Ancien dispositif d'extension dela mémoire servant àdépasser la limite de1 Mio dumicroprocesseur 8086 del'époque. Cette mémoire était accessible par pages de64 Kio. On ne l'utilise plus aujourd'hui àcause descapacités d'adressage étendues desprocesseurs récents ainsi qu'à cause del'extrême lenteur desaccès aléatoires dès que ceux-ci nécessitent un changement depage mémoire.

          Systèmes d'exploitation multiples

          Vanderpool/Silvervale : si un dispositif d'exploitation detravail estinfecté par un virus coriace, un autre plutôt surune autre base comme Linux vers Mac OS ou Windows pourrait agir comme gardien etdésinfecter lepremier tout enne laissant pas la possibilité au virus dese propager.

          Anticipation desproblèmes etgestion àdistance

          En particulier utile pour lesserveurs.

          Le problème del'échauffement

          Malgré l'usage detechniques degravures deplus enplus fines, l'échauffement desmicroprocesseurs reste approximativement proportionnel au carré deleur tension àarchitecture donnée. Avec V la tension, f la fréquence, etk un c?fficient d'ajustement, on peut calculer la puissance dissipée P :

          P = k \times Vˆ2 \times f

          Ce problème estlié àun autre, celui dela dissipation thermique etpar conséquent fréquemment desventilateurs, sources denuisances sonores. Lerefroidissement liquide estparfois utilisé.

          L'utilisation d'une pâte thermique assure une meilleure conduction dela chaleur duprocesseur vers leradiateur.

          Si l'échauffement ne pose pas deproblème majeur pour desapplications type ordinateur debureau, ilenpose pour l'ensemble desapplications portables. Ilesttechniquement facile d'alimenter etderefroidir un ordinateur fixe. Pour lesapplications portables, ce sontdeux problèmes délicats. Letéléphone portable, l'ordinateur portable, l'appareil photo numérique, lePDA, lebaladeur MP3 ont une batterie qu'il s'agit deménager pour que l'appareil portable ait une meilleure autonomie.

          Notes etréférences

          1. Alain Binet, Le Second XXe siècle (1939-2000) , Paris, Ellipses, 2003, p. 208
          2. Cette vitesse estexprimé sous forme d'une fréquence exprimée enhertz (Hz) , qui comptabilise lenombre decycles qu'effectue l'horloge desynchronisation duprocesseur enune seconde.
          3. Ce n'estpas l'unique raison, mais, plus un transistor estpetit, moins ila besoin d'énergie pour commuter correctement.
          4. (en) www. intel4004. com, musée virtuel dédié àce microprocesseur.
          5. (Culler etal, p.  15)
          6. Patt, Yale(April 2004). "The Microprocessor Ten Years From Now : What Are The Challenges, How Do We Meet Them? (wmv). Distinguished Lecturer talk at Carnegie Mellon University. Retrieved on November 7,2007.
          7. Société fabricant despuces électroniques.
          8. Intel First to Demonstrate Working 45nm Chips
          9. Protection etprotection, par Linus Torvalds

          Voir aussi

          Bibliographie

          Liens externes

          Recherche sur Amazone (livres) :




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