Microprocesseur

Un microprocesseur est un processeur dont les composants ont été suffisamment miniaturisés pour être regroupés dans un unique circuit intégré. Fonctionnellement, le processeur est la partie d’un ordinateur qui exécute les instructions et traite les données des programmes.

Intel 4004 dans son boîtier à 16 broches.

Intel 80486DX2.

Description

Jusqu’au début des années 1970, les différents composants électroniques formant un processeur ne pouvaient pas tenir sur un seul circuit intégré. On devait donc les placer sur plusieurs circuits intégrés. En 1971, la société américaine Intel réussit, pour la première fois, à placer tous les transistors qui constituent un processeur sur un seul circuit intégré donnant ainsi naissance au microprocesseur^[1].

Cette miniaturisation a permis :

• d'augmenter les vitesses^[2] de fonctionnement des processeurs, grâce à la réduction des distances entre les composants, entre autres ;
• de réduire les coûts, grâce au remplacement de plusieurs circuits par un seul, entre autres ;
• d'augmenter la fiabilité : en supprimant les connexions entre les composants du processeur, on supprime l'un des principaux vecteurs de panne ;
• de créer des ordinateurs bien plus petits : les micro-ordinateurs ;
• de réduire la consommation énergétique^[3].

Les principales caractéristiques d'un microprocesseur sont :

• Le jeu d'instructions qu’il peut exécuter. Voici quelques exemples d’instructions que peut exécuter un microprocesseur : additionner deux nombres, comparer deux nombres pour déterminer s’ils sont égaux, comparer deux nombres pour déterminer lequel est le plus grand, multiplier deux nombres,... Un processeur peut exécuter plusieurs dizaines, voire centaines ou milliers, d’instructions différentes.
• La complexité de son architecture. Cette complexité se mesure par le nombre de transistors contenus dans le microprocesseur. Plus le microprocesseur contient de transistors, plus il pourra effectuer des opérations complexes, et/ou traiter des chiffres de grande taille.
• Le nombre de bits que le processeur peut traiter ensemble. Les premiers microprocesseurs ne pouvaient traiter plus de 4 bits d'un coup. Ils devaient donc exécuter plusieurs instructions pour additionner des nombres de 32 ou 64 bits. Les microprocesseurs actuels (en 2007) peuvent traiter des nombres sur 64 bits ensemble. Le nombre de bits est en rapport direct avec la capacité à traiter de grands nombres rapidement, ou des nombres d'une grande précision (nombres de décimales significatives).
• La vitesse de l’horloge. Le rôle de l’horloge est de cadencer le rythme du travail du microprocesseur. Plus la vitesse de l’horloge augmente, plus le microprocesseur effectue d'instructions en une seconde.

Tout ceci est théorique, dans la pratique, selon l'architecture du processeur, le nombre de cycles d'horloge pour réaliser une opération élémentaire peut varier d'un cycle à plusieurs dizaines par unité d'exécution (typiquement une sur un processeur classique).

Par exemple, un processeur A cadencé à 400 MHz peut être plus rapide qu'un autre B lui cadencé à 1 GHz, tout dépend de leurs architectures respectives.

La combinaison des caractéristiques précédentes détermine la puissance du microprocesseur. La puissance d'un microprocesseur s’exprime en Millions d'Instructions Par Seconde (MIPS). Dans les années 1970, les microprocesseurs effectuaient moins d’un million d’instructions par seconde, les processeurs actuels (en 2007) peuvent effectuer plus de 10 milliards d’instructions par seconde.

Histoire

Illustration de la loi dite de « progression géométrique » qui régit l’évolution du nombre de transistors sur les puces de silicium. Source : adapté de Nanoinformatique et intelligence ambiante - Inventer l'ordinateur du XXI^e siècle Jean-Baptiste Waldner, Hermes Science, Londres, 2007 (avec la permission de l'auteur).

Le microprocesseur a été inventé par deux ingénieurs d'Intel: Marcian Hoff (surnommé Ted Hoff) et Federico Faggin. Marcian Hoff a formulé l'architecture du microprocesseur (une architecture de bloc et un jeu d'instructions) en 1969. Federico Faggin a inventé la conception du microprocesseur (méthodologie de conception nouvelle pour la puce et la logique, fondée pour la première fois sur la technologie silicon gate développé par lui en 1968 chez Fairchild ; conception de circuits et de la logique ; nouveau layout ; plusieurs nouvelles solutions techniques) en 1970. Federico Faggin a aussi dirigé la conception du premier microprocesseur jusqu'à son introduction sur le marché en 1971^[4].

En 1990, Gilbert Hyatt a revendiqué la paternité du microprocesseur en se basant sur un brevet qu’il avait déposé en 1970. La reconnaissance de l’antériorité du brevet de Hyatt aurait permis à ce dernier de réclamer des redevances sur tous les microprocesseurs fabriqués de par le monde. Cependant, le brevet de Hyatt a été invalidé en 1995 par l’office américain des brevets, sur la base du fait que le microprocesseur décrit dans la demande de brevet n'avait pas été réalisé, et n'aurait d'ailleurs pas pu l'être avec la technologie disponible au moment du dépôt du brevet.

Le premier microprocesseur commercialisé, le 15 novembre 1971, est l'Intel 4004 4-bits. Il fut suivi par l'Intel 8008. Ce microprocesseur a servi initialement à fabriquer des contrôleurs graphiques en mode texte, mais jugé trop lent par le client qui en avait demandé la conception, il devint un processeur d'usage général. Ces processeurs sont les précurseurs des Intel 8080, Zilog Z80, et de la future famille des Intel x86.

Le tableau suivant décrit les principales caractéristiques des microprocesseurs fabriqués par Intel, et montre leur fulgurante évolution à la fois en augmentation du nombre de transistors, en miniaturisation des circuits, et en augmentation de puissance. Il faut garder à l'esprit que si ce tableau décrit l'évolution des produits d'Intel, l'évolution des produits des concurrents a suivi avec plus ou moins d'avance ou de retard la même marche.

Un programme informatique est, par essence, un flux d'instructions exécutées par un processeur. Chaque instruction nécessite un à plusieurs cycles d'horloge, l'instruction est exécutée en autant d'étapes que de cycles nécessaires. Les microprocesseurs séquentiels exécutent l'instruction suivante lorsqu'ils ont terminé l'instruction en cours. Dans le cas du parallélisme d'instructions, le microprocesseur pourra traiter plusieurs instructions dans le même cycle d'horloge, à condition que ces instructions différentes ne mobilisent pas simultanément une unique ressource interne. Autrement dit, le processeur exécute des instructions qui se suivent, et ne sont pas dépendantes l'une de l'autre, à différents stades d'achèvement. Cette file d'exécution à venir s'appelle un pipeline. Ce mécanisme a été implémenté la première fois dans les années 1960 par IBM.

Les processeurs plus évolués exécutent en même temps autant d'instructions qu'ils ont de pipelines, ce à la condition que toutes les instructions à exécuter parallèlement ne soient pas interdépendantes, c'est-à-dire que le résultat de l'exécution de chacune d'entre elles ne modifie pas les conditions d'exécution de l'une des autres. Les processeurs de ce type sont appelés processeurs superscalaires. Le premier ordinateur à être équipé de ce type de processeur était le Seymour Cray CDC 6600 en 1965. Le Pentium est le premier des processeurs superscalaires pour compatible PC.

Aujourd'hui, les concepteurs de processeurs ne cherchent pas simplement à exécuter plusieurs instructions indépendantes en même temps, ils cherchent à optimiser le temps d'exécution de l'ensemble des instructions. Par exemple le processeur peut trier les instructions de manière à ce que tous ses pipelines contiennent des instructions indépendantes. Ce mécanisme s'appelle l'exécution out-of-order. Ce type de processeur s'est imposé pour les machines grand public à partir des années 1980 et jusqu'aux années 1990^[5].

L'exemple canonique de ce type de pipeline est celui d'un processeur RISC, en cinq étapes. Le Intel Pentium 4 dispose de 35 étages de pipeline^[6]. Un compilateur optimisé pour ce genre de processeur fournira un code qui sera exécuté plus rapidement.

Pour éviter une perte de temps liée à l'attente de nouvelles instructions, et surtout au délai de rechargement du contexte entre chaque changement de threads, les fondeurs^[7] ont ajouté à leurs processeurs des procédés d'optimisation pour que les threads puissent partager les pipelines, les caches et les registres. Ces procédés, regroupés sous l'appellation Simultaneous Multi Threading, ont été mis au point dans les années 1950. Par contre, pour obtenir une augmentation des performances, les compilateurs doivent prendre en compte ces procédés, il faut donc re-compiler les programmes pour ces types de processeurs. Intel a commencé à produire, début des années 2000, des processeurs implémentant la technologie SMT à deux voies. Ces processeurs, les Pentium 4, peuvent exécuter simultanément deux threads qui se partagent les mêmes pipelines, caches et registres. Intel a appelé cette technologie SMT à deux voies : l’Hyperthreading. Le Super-threading est, quant à lui, une technologie SMT dans laquelle plusieurs threads partagent aussi les mêmes ressources, mais ces threads ne s'exécutent que l'un après l'autre et non simultanément.

Depuis longtemps déjà, existait l'idée de faire cohabiter plusieurs processeurs au sein d'un même composant, par exemple les System on Chip. Cela consistait, par exemple, à ajouter au processeur, un coprocesseur arithmétique, un DSP, voire un cache mémoire, éventuellement même l'intégralité des composants que l'on trouve sur une carte mère. Des processeurs utilisant deux ou quatre cœurs sont donc apparus, comme par exemple le POWER4 d'IBM sorti en 2001. Ils disposent des technologies citées préalablement. Les ordinateurs qui disposent de ce type de processeurs coûtent moins cher que l'achat d'un nombre équivalent de processeurs, cependant, les performances ne sont pas directement comparables, cela dépend du problème traité. Des API spécialisées ont été développées afin de tirer parti au mieux de ces technologies, comme le Threading Building Blocks d'Intel.

• Date  : l’année de commercialisation du microprocesseur.
• Nom  : le nom du microprocesseur.
• Nombre de transistors  : le nombre de transistors contenus dans le microprocesseur.
• Finesse de gravure (µm)  : le diamètre (en micromètres) du plus petit fil reliant deux composantes du microprocesseur. En comparaison, l'épaisseur d'un cheveu humain est de 100 microns.
• Fréquence de l’horloge  : la fréquence du signal d'horloge interne qui cadence le microprocesseur. MHz = million(s) de cycles par seconde. GHz = milliard(s) de cycles par seconde.
• Largeur des données  : le premier nombre indique le nombre de bits sur lequel une opération est faite. Le second nombre indique le nombre de bits transférés à la fois entre la mémoire et le microprocesseur.
• MIPS  : le nombre de millions d’instructions effectuées par le microprocesseur en une seconde.

Microprocesseur PowerPC 4755.

Microprocesseur ARM60.

Microprocesseur Intel Core 2 Duo.

Familles de microprocesseurs

Les microprocesseurs sont habituellement regroupés en familles, en fonction du jeu d'instructions qu'ils exécutent. Ce jeu d'instructions comprend, souvent, une base commune à toute la famille, souvent les microprocesseurs les plus récents d'une famille présentent de nouvelles instructions. La rétrocompatibilité au sein d'une famille n'est donc pas toujours assurée. Par exemple un programme dit compatible x86 écrit pour un processeur 80386, qui permet la protection mémoire, pourrait ne pas fonctionner sur des processeurs antérieurs, mais fonctionne sur tous les processeurs plus récents (par exemple un Core Duo d'Intel ou un Athlon d'AMD).

Il existe plusieurs familles de microprocesseurs :

• La famille la plus connue par le grand public est la famille x86, développée principalement par les entreprises Intel (fabricant du Pentium), AMD (fabricant de l'Athlon), VIA et Transmeta. Les deux premières entreprises dominent le marché et elles fabriquent la plus grande part des microprocesseurs pour micro-ordinateurs compatibles PC. Intel fournit également les microprocesseurs pour les micro-ordinateurs Macintosh depuis 2006.

• Les microprocesseurs PowerPC d'IBM et de Motorola équipaient jusqu'en 2006 les micro-ordinateurs Macintosh (fabriqués par Apple). Ces microprocesseurs sont aussi utilisés dans les serveurs de la série P d'IBM et dans divers systèmes embarqués. Dans le domaine des consoles de jeu, des microprocesseurs dérivés du PowerPC équipent la Wii (Broadway), la GameCube (Gekko), Xbox 360 (dérivé à trois cœurs nommé Xenon). La Playstation 3 est équipée du microprocesseur Cell, dérivé du POWER4, une architecture proche de PowerPC.

• Le microprocesseur 6502 de la compagnie MOS Technology a servi à fabriquer le célèbre Apple II.

• Le microprocesseur Zilog Z80 a été largement utilisé dans les années 1980 dans la conception des premiers micro-ordinateurs personnels 8 bits comme le Radio Shack TRS-80, les Sinclair ZX80, ZX81, ZX Spectrum, les Apple II grâce à une carte fille, le standard MSX, les Amstrad CPC et plus tard dans les systèmes embarqués.

• La famille 6800 de la compagnie Motorola.

• La famille 68000 (aussi appelée m68k) de Motorola animait les anciens Macintosh, les Megadrive, les Atari ST et les Commodore Amiga. Leurs dérivés (Dragonball, ColdFire) sont toujours utilisés dans des systèmes embarqués.

Parmi les familles moins connues du grand public :

• La famille Sparc anime la plus grande partie des serveurs et stations de travail de Sun Microsystems, bien que de plus en plus de nouveaux produits soient réalisés à base de x86.

• La famille PA-RISC de HP et VLSI Technology, anime les anciens serveurs et stations de travail de HP, remplacée aujourd'hui par la famille IA-64

• La famille IA-64 de HP et Intel, apporte l'architecture 64 bits aux serveurs et stations de travail de HP

• La famille MIPS anime les stations de travail de Silicon Graphics, des consoles de jeux comme les PSone, les Nintendo 64 et des systèmes embarqués, ainsi que des routeurs Cisco. C'est la première famille à proposer une architecture 64 bits avec le R4000 en 1991. Les processeurs du fondeur chinois Loongson, sont une nouvelle génération basées sur les technologies du MIPS, utilisés dans des supercalculateurs et des ordinateurs faible consommation.

• Le microprocesseur APS3 spécialement conçu pour les systèmes embarqués.

• La famille ARM est de nos jours utilisée uniquement dans les systèmes embarqués, dont de nombreux PDAs et Smartphones, elle a précédemment été utilisée par Acorn pour ses Archimedes et RiscPC.

• La famille DEC Alpha animait les ordinateurs DEC, repris par Compaq puis par HP qui l'a définitivement arrêtée.

Rapidité d'exécution des instructions

Fréquence de fonctionnement

Les microprocesseurs sont cadencés par un signal d'horloge (signal oscillant régulier imposant un rythme au circuit). Au milieu des années 1980, ce signal avait une fréquence de 4 à 8 MHz. Dans les années 2000, cette fréquence atteint 4 GHz. Plus cette fréquence est élevée, plus le microprocesseur peut exécuter à un rythme élevé les instructions de base des programmes.

L'augmentation de la fréquence présente des inconvénients :

• plus elle est élevée, plus le processeur consomme d'électricité, et plus il chauffe : cela implique d'avoir une solution de refroidissement du processeur adaptée ;
• la fréquence est notamment limitée par les temps de commutation des portes logiques : il est nécessaire qu'entre deux « coups d'horloge », les signaux numériques aient eu le temps de parcourir tout le trajet nécessaire à l'exécution de l'instruction attendue ; pour accélérer le traitement, il faut agir sur de nombreux paramètres (taille d'un transistor, interactions électromagnétiques entre les circuits, etc.) qu'il devient de plus en plus difficile d'améliorer (tout en s'assurant de la fiabilité des opérations).

Overclocking

L'overclocking consiste à forcer l'augmentation de la fréquence du signal d'horloge du microprocesseur (par rapport aux recommandations du fabriquant), afin de pouvoir exécuter plus d'instructions à chaque seconde.

Optimisation du chemin d'exécution

Les microprocesseurs actuels sont optimisés pour exécuter plus d'une instruction par cycle d'horloge, ce sont des microprocesseurs avec des unités d'exécution parallélisées. De plus ils sont dotés de procédures qui « anticipent » les instructions suivantes avec l'aide de la statistique.

Dans la course à la puissance des microprocesseurs, deux méthodes d'optimisation sont en concurrence :

1. La technologie RISC (Reduced Instruction Set Computer, jeu d'instructions simple), rapide avec des instructions simples de taille standardisée, facile à fabriquer et dont on peut monter la fréquence de l'horloge sans trop de difficultés techniques.
2. La technologie CISC (Complex Instruction Set Computer), dont chaque instruction complexe nécessite plus de cycles d'horloge, mais qui a en son cœur beaucoup d'instructions pré-câblées.

Néanmoins, avec la diminution de la taille des puces électroniques et l'accélération des fréquences d'horloge, la distinction entre RISC et CISC a quasiment complètement disparu. Là où des familles tranchées existaient, on observe aujourd'hui des microprocesseurs où une structure interne RISC apporte de la puissance tout en restant compatible avec une utilisation de type CISC (la famille Intel x86 a ainsi subi une transition entre une organisation initialement très typique d'une structure CISC. Actuellement elle utilise un cœur RISC très rapide, s'appuyant sur un système de réarrangement du code à la volée) mis en œuvre, en partie, grâce à des mémoires cache de plus en plus grandes, comportant jusqu'à trois niveaux.

Structure d'un microprocesseur

L'unité centrale d'un microprocesseur comprend essentiellement :

• une unité arithmétique et logique (U.A.L) qui effectue les opérations ;
• des registres qui permettent au microprocesseur de stocker temporairement des données ;
• une unité de contrôle qui commande l'ensemble du microprocesseur en fonction des instructions du programme.

Certains registres ont un rôle très particulier :

• le registre indicateur d'état (flags), ce registre donne l'état du microprocesseur à tout moment, il peut seulement être lu ;
• le compteur de programme (PC, Program Counter), il contient l'adresse de la prochaine instruction à exécuter ;
• le pointeur de pile (SP, Stack Pointer), c'est le pointeur d'une zone spéciale de la mémoire appelée pile où sont rangés les arguments des sous-programmes et les adresses de retour.

Seul le Program Counter est indispensable, il existe de (rares) processeurs ne comportant pas de registre d'état ou pas de pointeur de pile (par exemple le NS32000).

L'unité de contrôle peut aussi se décomposer :

• le registre d'instruction, mémorise le code de l'instruction à exécuter ;
• le décodeur décode cette instruction ;
• le séquenceur exécute l'instruction, c'est lui qui commande l'ensemble des organes du microprocesseur.

Fabrication des microprocesseurs

La fabrication d'un microprocesseur est essentiellement identique à celle de n'importe quel circuit intégré. Elle suit donc un procédé complexe. Mais l'énorme taille et complexité de la plupart des microprocesseurs a tendance à augmenter encore le coût de l'opération.

La loi de Moore, qui indique que le degré d'intégration des microprocesseurs double tous les 18 mois, indique également que les coûts de production doublent en même temps que le degré d'intégration.

La fabrication des microprocesseurs est aujourd'hui considérée comme l'un des deux facteurs d'augmentation de la capacité des unités de fabrication (avec les contraintes liées à la fabrication des mémoires à grande capacité). La finesse de la gravure industrielle a atteint 45 nm en 2006^[8]. En diminuant encore la finesse de gravure, les fondeurs se heurtent aux règles de la mécanique quantique.

Fonctions à développer

Organisation parallèle

Selon le système d'exploitation, la tendance actuelle est l'installation de plusieurs processeurs parallèles et de multiples tâches d'où l'importance grandissante des fonctions d'arbitrages entre processus (par exemple l'hyper threading). En effet, l'architecture super scalaire (mise en parallèle des tâches dans une unité d'exécution) des processeurs actuels ne suffit actuellement plus au multi-threading tel qu'il est utilisé.

En revanche, les processeurs à plusieurs cœurs exigent que soit étudiée de près la répartition des tâches entre eux si on ne veut pas voir observer un ralentissement des opérations; c'est ce qu'on nomme les affinités entre processeurs (processor affinity).

Sécurité et location

Il existe de nombreux projets d'intégration au cœur des microprocesseurs de fonctions visant à empêcher les copies illégales de fichiers (technologies DRM). Le consortium Trusted Computing Group, notamment, a déjà créé des puces permettant de créer une "zone de confiance" au sein du système informatique, à l'aide d'une puce d'identification spécifique. Certains modèles d'ordinateurs, comme les portables d'IBM intègrent déjà de telles puces. La prochaine génération de cette technologie sera probablement intégrée dans les processeurs centraux des ordinateurs.

Ces technologies sont décriées, notamment par des partisans du logiciel libre, pour qui elles possèdent un potentiel liberticide. En effet, conjuguées à un système d'exploitation prévu à cet effet, par exemple dérivé du projet NGSCB de Microsoft, ce type de technologie permet au tiers de confiance (le prestataire qui va vérifier la validité des composants du système) d'accéder à distance au contenu de l'ordinateur, voire d'empêcher l'exécution de certaines opérations sur celui-ci.

Mémoire étendue

Ancien système d'extension de la mémoire permettant de dépasser la limite de 1 Mio du microprocesseur 8086 de l'époque. Cette mémoire était accessible par pages de 64 Kio. On ne l'utilise plus de nos jours en raison des capacités d'adressage étendues des processeurs récents ainsi qu'en raison de l'extrême lenteur des accès aléatoires dès que ceux-ci nécessitent un changement de page mémoire.

Systèmes d'exploitation multiples

Vanderpool/Silvervale : si un système d'exploitation de travail est infecté par un virus coriace, un autre de préférence sur une autre base comme Linux vers Mac OS ou Windows pourrait agir comme gardien et désinfecter le premier tout en ne laissant pas la possibilité au virus de se propager.

Anticipation des problèmes et gestion à distance

Particulièrement utile pour les serveurs.

Le problème de l'échauffement

Malgré l'usage de techniques de gravures de plus en plus fines, l'échauffement des microprocesseurs reste approximativement proportionnel au carré de leur tension à architecture donnée. Avec V la tension, f la fréquence, et k un coefficient d'ajustement, on peut calculer la puissance dissipée P :

Ce problème est lié à un autre, celui de la dissipation thermique et donc souvent des ventilateurs, sources de nuisances sonores. Le refroidissement liquide peut être utilisé.

L'utilisation d'une pâte thermique assure une meilleure conduction de la chaleur du processeur vers le radiateur.

Si l'échauffement ne pose pas de problème majeur pour des applications type ordinateur de bureau, il en pose pour toutes les applications portables. Il est techniquement facile d'alimenter et de refroidir un ordinateur fixe. Pour les applications portables, ce sont deux problèmes délicats. Le téléphone portable, l'ordinateur portable, l'appareil photo numérique, le PDA, le baladeur MP3 ont une batterie qu'il s'agit de ménager pour que l'appareil portable ait une meilleure autonomie.

Notes et références

Voir aussi

Articles connexes

• Processeur
• Liste de microprocesseurs
• Chronologie des microprocesseurs
• Loi de Moore
• Traitement numérique (microprocesseur)
• Microcontrôleur
• Émulateur in-circuit
• Overclocking

Bibliographie

• (en) Jon Stokes, "An Illustrated Introduction to Microprocessors and Computer Architecture par Jon Stokes ", No Starch Press , 2006, ISBN 978-1-59327-104-6
• (en) Grant McFarland, "Microprocessor Design", McGraw-Hill Professional, 2006, ISBN 978-0-07-145951-8
• (fr) Jean-Baptiste Waldner, "Nano-informatique et intelligence quantique - Inventer l'ordinateur du XXI^e siècle", Hermes Science, London, 2006, ISBN 2-7462-1516-0

Liens externes

• Galerie de microprocesseurs de 1971 à 1996
• Article sur la fabrication des wafers

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