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Processeur double cœur
Un processeur double cœur (dual core en anglais) est un processeur équipé de deux cœurs (ou unités de calcul) qui travaillent en parallèle.
En effet, la puissance d'un processeur semble aujourd'hui limitée à une certaine fréquence, qu'il est difficile de dépasser sans hausse substantielle du coût de fabrication (en grand public, on trouve des processeurs standard de l'ordre de 3,2 GHz). Après avoir atteint ce seuil critique dans l'évolution naturelle de la puissance des processeurs essentiellement basée sur la course aux gigahertz, les fondeurs AMD et Intel travaillent maintenant sur des processeurs plus sophistiqués. Ainsi, la puissance d'un processeur double cœur est de l'ordre du double du processeur de référence.
La différence majeure entre les processeurs à double cœur et les ordinateurs utilisant plusieurs processeurs est qu'un processeur double cœur n'est en fait qu'un seul processeur, qui lui, finalement, contient deux cœurs avec un système de mise en commun, alors qu'un ordinateur biprocesseurs a deux processeurs distincts.
Sommaire
Atouts par rapport à un simple cœur
Avant l’apparition des processeurs multicœurs, les constructeurs de processeurs augmentaient la puissance de leurs produits en élevant la fréquence de calcul de leurs processeurs monocœurs. Ainsi, les processeurs, capables d’effectuer plus de calculs à la seconde, devenaient progressivement plus puissants.
Mais cette méthode a fini par atteindre ses limites : en effet, l’augmentation de fréquence d’un processeur nécessite l’augmentation de la puissance électrique fournie, et donc de l’énergie thermique générée, qu'il faut dissiper. Le besoin croissant en énergie était notamment problématique pour les ordinateurs portables. Les processeurs monocœurs les plus puissants utilisés dans les ordinateurs de grande distribution ont des puissances ne dépassant en général pas les 3 ou 4 GHz, car au-delà les problèmes cités plus haut deviennent trop contraignants. On a pu observer dans certains salons de technologie des processeurs de fréquence bien plus élevée, mais ils étaient équipés de processus de refroidissement impressionnants, pas reproductibles pour la grande distribution.
C’est pour contourner cette limite que les constructeurs se sont tournés vers la fragmentation des puces. Il existait déjà des ordinateurs fonctionnant avec plusieurs processeurs distincts (par exemple, les supercalculateurs). L’idée ici est de reproduire ce parallélisme au sein d’un unique processeur : en bref, introduire plusieurs unités de calcul dans un même processeur. Le principe est simple : plutôt que d’avoir un processeur « simple » à fréquence élevée, on utilise par exemple deux cœurs, de fréquence moitié moindre que l’autre. On obtient alors un processeur théoriquement de même puissance, mais de fréquence d’horloge beaucoup plus basse : il ne rencontre pas les problèmes d’alimentation et de surchauffe de son homologue monocœur.
Le processeur multicœur présente donc les avantages par rapport au monocœur :
- D’avoir une puissance supérieure avec une fréquence d’horloge moins élevée.
- De consommer moins d’énergie électrique.
- De diffuser moins de chaleur par effet Joule.
En plus de ces avantages purement techniques, il s’avère que ces microprocesseurs sont également bien plus efficaces dans le traitement multitâche. Si plusieurs applications sont exécutées simultanément sur l’ordinateur, celui-ci peut dès lors répartir ce travail entre les cœurs de processeurs, plutôt que d’effectuer les opérations en alternance sur un seul processeur.Contraintes de programmation
Cependant, l’élaboration de tels processeurs a dû nécessiter des ajustements et adaptations aux différents niveaux de l’ordinateur. Il se pose tout d’abord la question de la communication entre les différentes unités : comment répartir le travail pour que les deux processeurs se complètent, plutôt que de se neutraliser. Il a également fallu mettre à jour les différents logiciels existants pour leur permettre d’exploiter cette nouvelle technologie. En effet, les composants d’un processeur multicœur ont une puissance individuelle inférieure à celle d’un processeur monocœur classique ; un logiciel non adapté au multicœur (et qui ne saura donc effectuer ses différents calculs qu’à l’aide d’un seul des cœurs du processeur) sera par conséquent exécuté à une vitesse moindre. Afin de pallier cette contrainte, de nombreuses mises à jour ont été émises pour permettre aux logiciels de s’adapter. Ces mises à jour touchent également les systèmes d’exploitation, qui peuvent diviser par eux-mêmes les calculs effectués par les logiciels qu’ils exécutent. Cela permet d’utiliser la technologie multicœur même avec des logiciels non adaptés à ce type de traitement, même si cette utilisation est moins performante que si le logiciel indique directement comment doivent se diviser les calculs. De telles adaptations sont nécessaires à chaque augmentation du nombre de cœurs dans les processeurs. Ce n’est que lorsque celles-ci ont été effectuées que les nouveaux processeurs peuvent exprimer leur plein potentiel.
Au final, avec un peu de recul cette technologie n’a pour réel inconvénient que celui de toute nouvelle technologie : elle est évolutive, et nécessite de nombreux ajustements qui feront état jusqu’à ce qu’une autre technologie vienne la remplacer. Mais elle présente en tout cas l’avantage de ne pas créer de rupture : à ce jour les applications utilisant les processeurs multicœurs peuvent également fonctionner avec des processeurs monocœurs, et les applications « classiques » conçues pour des processeurs monocœurs fonctionnent également avec les nouveaux multicœurs.
Les différents processeurs
IBM
Le premier processeur double cœur chez IBM fut le POWER 4 lancé en 2001, (Le premier PowerPC dual-core fut le 970MP "Antares" en 2005, composé de 2 cœurs 970GX.)
Sun
Le premier processeur double cœur chez Sun fut l'UltraSPARC IV composé de 2 cœurs UltraSPARC III en 2003. En développement, Les nouveaux processeurs UltraSparc T1 possèderont jusqu'à 8 cœurs par processeur (octo-core).
HP
Le premier processeur PA-RISC double cœur chez HP fut le PA-8800 composé de 2 cœurs PA-8700 en 2004.
Intel
Les processeurs double cœur Intel ont été lancés le 1er avril 2005 et la marque Core 2 a été introduite le 27 juillet 2006. Le premier processeur était un Pentium Extreme Edition 840 à 3,2 GHz (composé de 2 cœurs Pentium 4 540) suivi peu de temps après des Pentium D. Le modèle EE (Extreme Edition), modèle de « démonstration », son prix étant le triple des Pentium D, était destiné à dévoiler l’architecture double cœur avant le concurrent AMD. Il était constitué de deux cœurs Pentium 4 Prescott 540 réunis sur une même puce. Cette solution a permis d’augmenter les performances des processeurs sans augmenter la fréquence.
Le premier modèle « grand public » était le Pentium D 820 : il comptait 230 millions de transistors, était gravé en 90 nm et cadencé à 2,8 GHz. Dans le cas de ce processeur, les deux cœurs Pentium 4 Prescott 520 ne pouvaient communiquer que par le bus système, ils ne partagent pas vraiment de ressources communes.
Cependant, ces processeurs n’étaient pas vraiment adaptés au marché des ordinateurs portables (alors en plein essor) à cause d’une fréquence trop élevée qui entrainait de fortes consommation électrique et dissipation thermique. De plus, l’agencement des deux cœurs était loin d’être parfait notamment au niveau de la mémoire cache.
C’est pourquoi Intel a lancé le 27 juillet 2006 ses processeurs Core 2 Duo. Ces derniers ont pallié les inconvénients engendrés par les processeurs haute fréquence et a permis à Intel de regagner des parts dans le marché des ordinateurs portables. Avec une fréquence inférieure au Pentium D et une profondeur des pipelines réduite, ces processeurs ont de meilleures performances et ont vu leurs consommation électrique et dissipation thermique diminuées. Ces évolutions ont permis d’optimiser les performances par un traitement plus efficace des informations et une meilleure gestion de l’énergie.
L’évolution des Core 2 Duo actuelles concerne principalement la finesse de gravure (qui permet une baisse des dégagements thermiques à fréquence identique) mais aussi l’augmentation de la mémoire cache L2. En effet, les processeurs disposent de plusieurs mémoires caches. Cependant, alors que dans les premiers Pentium D chaque cœur disposait d’un cache L2 indépendant, les Core 2 Duo développés par la suite embarquaient un cache L2 commun aux deux cœurs. Cela a permis de réduire le trafic dans le bus externe et les temps de latence. Ainsi l’attribution du cache peut être alors optimale pour chaque cœur.
AMD
AMD a lancé ses premiers processeurs double cœur en avril-mai 2005 juste après son concurrent Intel. Ainsi, le 21 avril 2005, AMD commercialise l’Athlon 64 X2 avec quatre modèles dont le modèle d’entrée de gamme l’Athlon 64 X2 3800+ pour concurrencer le Pentium D 820 d’Intel.
Ce modèle comptait 230 millions de transistors, était gravé en 90 nm et cadencé à 2 GHz. Il était constitué par deux cœurs Athlon 64 3800+ à 2,4 GHz mais l’agencement de ses deux cœurs était différent de celui proposé par Intel. En effet, les deux cœurs peuvent ici communiquer directement entre eux sans passer par le chipset externe de la carte mère comme chez Intel, ils se partagent le même contrôleur mémoire intégré et chaque cœur dispose de son propre cache L2 (comme pour les Pentium D mais différent des Core 2 Duo).
Le gros avantage de ces processeurs au moment de leurs sorties est qu’ils étaient compatibles avec les cartes mères existantes, une simple mise à jour du bios suffisant à les intégrer. Encore une politique radicalement différente de Intel qui avait décidé de développer un nouveau socket pour ses doubles cœurs. Ainsi même si les processeurs AMD étaient proposés à un prix plus élevé que ceux d’Intel (380€ pour un Athlon 64 X2 3800+ contre 280€ pour un Pentium D 820), les utilisateurs n’avaient pas besoin de changer de carte mère. De plus, les Athlon 64 X2 ne chauffaient et consommaient pas plus que les modèles haut de gamme simple cœur de AMD alors que les Pentium D avaient une forte dissipation thermique et une consommation élevée par rapport à ses prédécesseurs simple cœur.
Finalement, malgré un prix plus élevé, ces processeurs bénéficiaient d’un meilleur rapport qualité/prix grâce à une conception plus travaillée que les modèles Intel. Les performances sont ainsi globalement meilleures par rapport au Pentium D. Ils ont ainsi permis à AMD de se hisser au niveau d’Intel malgré des problèmes de stocks dans la période qui a suivi le lancement. L’évolution des Windsor concerne la finesse de gravure mais aussi la diminution du cache L2 à cause de la forte demande actuelle pour ce type de processeur.
AMD a aussi développé des processeurs tri et quadri cœurs récemment avec la gamme Phenom. C’est la première génération de processeurs à utiliser la dernière architecture K10 de AMD. Les versions tri-cœurs sont des versions quadri-cœurs où un de ces derniers a été désactivé. Ces processeurs ont été développés afin de limiter les pertes en sortie des lignes de production.
Quant à la gamme des ordinateurs portables, ce sont les Turion 64 X2 qui sont dédiés à ces machines. Les premiers sont apparus en mai 2006 et la gamme est renouvelée environ une fois par an. Ces processeurs sont moins utilisé que leurs homologues chez Intel du fait d’une campagne publicitaire beaucoup moins importante.
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