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Généralités sur les Processeurs

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Dernière mise à jour
19 Avril 2005
Algèbre booléenne. Architecture. Architecture superscalaire. Benchmark. Bit. Fondeur. Format (package). Fréquence de fonctionnement. horloge. Jeu d'instructions. Mémoire cache. Pipeline d'exécution. Transistor.

Alors voilà...

(Attention, nous allons dans quelques instants commettre une métaphore usée jusqu'à la corde mais néanmoins si marquée au coin du bon sens qu'elle en devient incontournable. L'originalité, même exultante, doit savoir s'effacer derrière la sagesse de la coutûme.)

Le processeur est un peu à l'ordinateur ce que le cerveau est à l'Homme. Autant dire un organe plutôt essentiel. C'est en effet le processeur qui manipule les données, calcule les résultats, exécute les instructions... bref, c'est à lui que revient la délicate tâche de "produire" l'intelligence réclamée à la machine.

Vous vous en doutiez donc sûrement, ce processeur est une petite chose assez complexe. Mais que ce juste pressentiment ne vous décourage surtout pas d'étudier plus en détail la biologie de votre puce car ce petit effort aiguisera à coup sûr votre regard sur bien d'autres domaines de l'informatique.
Votre regard et votre jugement.

... et puis s'aventurer dans l'informatique en faisant fi de votre processeur serait un peu comme... euh... comme se lancer dans un Paris-Dakar en équipe avec Nana Mouskouri.
Un truc quand même assez osé...

Allez ! Tentons d'approcher d'un peu plus près ce petit animal domestique et néanmoins si secret...

Pulex informatis (puce savante commune)

S'il te plaît, dessine-moi une puce...

Pour qui n'a jamais eu l'impudeur d'ôter les petites vis de l'arrière de son grand boîtier blanc, un processeur reste une chose quasi abstraite.
Voici donc à quoi peut ressembler la bête...


 

Oui vous avez raison: pas de quoi s'extasier...
Retenez néanmoins que l'apparence d'un processeur peut considérablement varier d'un modèle à l'autre. En fait d'apparence, on parle plus volontiers de format, ou, pour parler comme les Anglais, de pakèdge (package).

Notre belle métaphore prend ici un coup dans l'aile: alors que le cerveau humain a mis quatre millions d'années pour nous faire passer de Lucy à Loana, le processeur change de taille et d'aspect tous les six mois !
Ah, elle commence bien la métaphore marquée au coin du bon sens !

Mais pourquoi si peu de constance dans la morphologie de nos puces ?
Les ingénieurs de la Silicon Valley auraient sûrement mille raisons à vous donner afin d'expliquer leur versatilité, mais l'auteur de cette page ose celle-ci, très simple: parce que votre argent les intéresse !

 

Un coeur qui bat sous le silicium...

Comme le cerveau vit au rythme du coeur, le processeur obéit à son propre métronome, un cristal d'horloge qui présente l'amusante propriété d'osciller lorsqu'il est soumis à une tension électrique. Ces oscillations impriment sa cadence de travail au processeur et constituent sa fréquence de fonctionnement.
Bien évidemment, plus cette fréquence sera élevée, et plus le processeur sera qualifié de "rapide".

Les premiers processeurs "grand public" travaillaient à des fréquences de quelques kilohertz mais désormais, les puces actuelles dépassent allègrement le gigahertz (1 GHz  = 1.000.000.000 hertz) !

Remarquez... La fréquence de fonctionnement d'un processeur nous est souvent jetée à la figure pour nous convaincre de son niveau de performance. En fait, Il est facile de comprendre que la puissance de travail d'un processeur dépend de deux facteurs intimement liés:

  • Sa fréquence de fonctionnement, certes, exprimée en hertz,
     
  • Son "efficacité" à exploiter cette fréquence, conditionnée à la fois par la structure interne de la puce et par ses méthodes de travail. 

 

Anatomie d'une puce

Circuits imprimés d'un processeur En fait d'anatomie, ou même de structure, on parle dans le cas d'un processeur d'architecture pour décrire ses différents éléments et leurs interactions à la base de son mode de fonctionnement.

Bien plus que la fréquence de fonctionnement, ce sont les progrès de cette architecture qui caractérisent les différentes générations de processeurs.


 

Les neurones à pupuce

Un transistorTout comme un cerveau normalement constitué est formé de deux ou trois neurones interconnectés et chargés de véhiculer et moduler les influx nerveux, la puce dispose de sa propre "cellule" fondamentale qui se nomme transistor.

Bien évidemment, plus le nombre de ces transistors sera important, et plus les capacités générales du processeur seront élevées, mais plus complexes aussi seront sa conception et sa fabrication.

Or, à moins d'accroître indéfiniment la taille de nos processeurs, le seul moyen d'implanter un nombre toujours plus grand de transistors sur une puce est de réduire leur taille. Or, cette course à la miniaturisation est directement soumise aux progrès technologiques.
Aujourd'hui, les interconnexions entre transistors sont réalisées avec une finesses de gravure de l'ordre de 90 nanomètres (0,00000009 m) !

Oui, mais voilà ! Même si le fonctionnement d'un transistor n'a aucun secret pour vous, il reste difficile d'imaginer que la seule interconnexion de quelques millions de ces bêtes commutateurs puisse donner naissance à une machine capable d'actions aussi évoluées que le calcul de sinus ou la reproduction de Sims. Il faut, pour comprendre ce prodige, se tourner une fois de plus vers les mathématiques, et plus particulièrement vers l'algèbre booléenne.

C'est ainsi, le processeur est en quelque sorte le fils prodigue né du mariage de cette théorie de la logique et de la technologie des composants électroniques.
 

Les bits à pupuce

Une des principales caractéristiques d'un processeur consiste en la taille de ses registres.
On appelle ainsi les différentes "mini-mémoires" où le processeur entrepose ses données en cours de traitement. Or, ces données, quelle que soit leur nature (nombre, lettre, image, son...), sont toujours exprimées en base 2, c'est-à-dire en binaire.

En effet, tout comme nos chiffres "humains" peuvent prendre dix valeurs différentes, les chiffres d'un processeur n'en peuvent prendre que deux: le zéro et le un, un tel chiffre étant appelé bit en informatique.

Très logiquement, donc, la taille des registres d'un processeur s'exprime en bits, et, comme vous vous en doutez, plus la taille de ces registres sera grande et plus la rapidité de calcul du processeur sera importante, au détriment bien sûr et toujours de la simplicité de sa conception.

Très pratiquement, la taille de ces registres serait somme toute secondaire si tous les processeurs d'un même génération disposaient de registres de la même taille. Or, alors que nous nous étions tranquillement habitués aux processeurs 32 bits depuis l'antédiluvien Intel 386 (1985), nous sommes actuellement entre deux eaux, entre la marée lentement refluante des processeurs 32 bits, et la marée montante des prometteurs processeurs 64 bits.
 

Les mots à pupuce

Fondamentalement, un processeur travaille en exécutant des instructions, c'est-à-dire des ordres mathématiques et logiques très simples mais dont la succession constitue les programmes tels que nous les utilisons.
 
L'ensemble de tous les ordres compréhensibles par la puce forme ce qu'on appelle le jeu d'instructions du processeur, en quelque sorte son "vocabulaire de base".
Il est facile de comprendre que la nature et la richesse de ce vocabulaire influe sur la capacité de travail du processeur.

Depuis le processeur Intel 8086, tous les processeurs estampillés "compatibles PC" sont basés sur le même jeu élémentaire d'instructions dans le but, justement, de rester compatibles entre eux.
Néanmoins, cette base commune n'empêchait en rien les puces plus récentes d'enrichir ce vocabulaire originel de nouveaux ordres rendus nécessaires par les évolutions multimédias de l'informatique. Ce qu'elles firent d'ailleurs sans se gêner, sous couvert de termes aussi pittoresques que MMX, SSE ou encore 3DNow !
 

Les sauts à pupuce

Ainsi, comme nous l'avons déjà dit, alors que les progrès bêtement industriels permettent d'augmenter très régulièrement et très progressivement les performances matérielles des processeurs, les véritables progrès de l'ingénierie informatique sont davantage issus de "sauts technologiques" liés à l'amélioration du fonctionnement interne de la puce.

Ces "révolutions" fonctionnelles portent des noms qui paraîtront effroyablement barbares aux néophytes mais qui restent néanmoins tout à fait à portée de compréhension de nos saines cervelles de non-ingénieurs.
Ainsi, citons pêle-mêle:

  • L'introduction de mémoire cache, simple procédé mnémotechnique destiné à améliorer la disponibilité des données manipulées par le processeur, et donc sa vitesse de travail;
     
  • L'introduction du pipeline d'exécution, simple application au processeur des techniques de travail à la chaîne, puis l'architecture superscalaire, simple juxtaposition de plusieurs pipelines
  • dans la même puce.

Bref, comme vous le voyez, que des choses fort simples...

 

Q.I. d'une puce

Comme vous commencez peut-être à le deviner, une puce est un animal bien trop subtil pour que son niveau de performance puisse être définitivement lié à un seul paramètre, ne serait-ce sa fréquence de fonctionnement.

Diverses méthodes et unités plus ou moins valables ont été mises au point afin de constituer une échelle de performance des processeurs et, ainsi, faciliter leur comparaison.
Néanmoins, la manière la plus simple et la plus pertinente de comparer entre eux un panel de processeurs consiste encore à mesurer le temps requis par chacun d'eux pour effectuer une tâche donnée.
Telle est toute la philosophie des benchmarks.

 

Le marché aux puces

En ce début de millénaire, trois principaux géants se partagent l'immense marché de la fabrication des processeurs grand public, autrement dit le marché des fondeurs.
Ces dompteurs de puces, les voici:
 

  • Logo de la société IntelIntel: longtemps considéré comme incontournable, le fondeur historique a depuis quelques années perdu un peu de sa superbe. Néanmoins, Monsieur Intel reste le pionnier créateur du 8086, le père des célébrissimes Pentium, Pentium II, Pentium III et Pentium 4, et le concepteur du très révolutionnaire processeur Itanium, premier processeur Intel doté de registres de 64 bits.
     
  • Logo de le société AMDAMD: dans l'ombre de Intel plusieurs années durant, AMD à réussi à se hisser au premier plan avec son processeur K6 puis s'y brillamment maintenir avec son Athlon, confiant à son modèle Athlon-64
  • le soin de conquérir le marché des processeurs 64 bits.
     
  • Logo de la société MotorolaMotorola (Apple): le concepteur du Mac reste assurément un des protagonistes le plus original et le plus novateur des grands acteurs du marché des processeurs.

  • Néanmoins, le monde du Mac reste un univers à part puisque les processeurs commercialisés sous la marque Apple s'avèrent totalement incompatibles avec les puces dites "compatibles PC".
     

Nous ne ferons pas injure à leurs outsiders de les oublier: nous mentionnerons donc les Cyrix, Sun, HP, DEC, SGI et demanderons aux autres de nous pardonner.

 

Enfin bref...

Voilà ! Difficile de faire plus panoramique comme vue d'ensemble sur le processeur ! Néanmoins, ce petit résumé condensé nous a habilement mené jusqu'à cette conclusion, véritable petit carrefour de connaissances où plusieurs pistes s'offrent désormais à nous afin de faire plus ample connaissance avec ce petit carré de silicium.

Quoi qu'il en soit, cette modeste page aura réussi son but si elle vous permet de ne plus afficher cet air déconfit à la lecture du descriptif technique d'un processeur ou de ne plus sourire bêtement à entendre évoquer le nombre de bits d'une puce...

Architecture Matérielle des Processeurs
Fonctionnement d'un Processeur Standard
Fréquence de Fonctionnement et Overclocking
Les Premiers Processeurs Grand Public (P1-P5)
Les Processeurs 32 bits Intel
Les Processeurs 32 bits AMD

 

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