Microprocesseur
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Le microprocesseur est le cœur des micro-ordinateurs. À strictement parler, il s'agit d'un processeur ou central processing unit qui a été réduit à une taille suffisamment petite pour tenir sur un seul circuit intégré (puce). Un processeur plus traditionnel (pour ne pas dire ancien) peut, lui, tenir sur plusieurs cartes.
Comme tous les processeurs, l'exécution des instructions contenues dans les programmes informatiques écrits avec des langages de programmation allant de l'assembleur à des langages abstraits traduits soit par des compilateurs soit par des interpréteurs.
Néanmoins, la distinction entre CPU (central processing unit), processeur et microprocesseur est souvent abandonnée au profit d'une banalisation de ces termes.
La distinction se fait désormais dans sa fonction entre celle centrale et celle prenant en charge des fonctions comme le graphisme ou la compression/décompression audio-vidéo.
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[modifier] Histoire
Le microprocesseur a été inventé par Marcian Hoff (surnomé Ted Hoff) en 1971, alors que celui-ci était ingénieur chez Intel.
En 1990, on apprenait toutefois que la paternité du concept de micro-processeur jusque là revendiquée depuis 1971, et 1973 pour le brevet, par Intel et Marcian Ted Hoff, était mal-fondée. En effet Gilbert Hyatt (né en 1938) avait dès 1970 déposé un brevet plus étendu sur ce concept et avait poursuivi, en toute discrétion pour éviter les pressions, la validation de ce brevet pendant les vingt années qui suivirent. Ce brevet s'il le souhaitait l'autoriserait à percevoir des royalties (droits d'auteur) sur tous les micro-processeurs fabriqués de par le monde pendant les vingt ans qui ont suivi.
Le premier microprocesseur commercialisé est le Intel 4004 4-bits le 15 novembre 1971, qui servit au départ à fabriquer des contrôleurs graphiques en mode texte. Il fut suivi par le Intel 8008. Ces processeurs sont les précurseurs des Intel 8080 et Zilog Z80 et de la future famille des Intel x86.
Un autre microprocesseur, le SC/MP (Scamp ou Simple-Cheap Micro-Processor, microprocesseur dans un seul boîtier) de National Semiconductor effectuait ses calculs en virgule fixe décimale. Il fut pour cette raison largement utilisé dans les distributeurs automatiques à restitution de monnaie qui commencèrent à apparaître dès cette époque.
[modifier] Familles de microprocesseurs
Il existe plusieurs familles de microprocesseurs :
- La plus connue par le grand public est celle de la famille x86, développée principalement par Intel (Pentium), AMD (Athlon), VIA, Transmeta... Les deux premiers constructeurs sont désormais les seuls encore réellement dans la course et fabriquent la plus grande partie des processeurs pour Compatible PC, Intel équipant également les Macintosh depuis 2006.
- Les PowerPC d'IBM et Motorola équipaient jusqu'en 2006 les Macintosh (Apple Computer) et sont utilisés dans divers systèmes embarqués. Une puce différente équipée de dix processeurs périphériques intégrés a été choisie pour les consoles de jeu : Playstation 3, la Xbox 360 et probablement la future Nintendo Wii...
- Le 6502 de chez MOS Technology a servi à fabriquer le célèbre Apple II.
- La famille 68000 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 stations de travail de Sun Microsystems.
- 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, ou des routeurs Cisco.
- La famille StrongARM est de nos jours utilisée uniquement dans les systèmes embarqués, elle a précédemment été utilisée par Acorn pour ses Archimedes et RiscPC.
- La famille DEC Alpha animait les ordinateurs DEC, aujourd'hui repris par Compaq.
[modifier] Fonctionnement
Les microprocesseurs sont cadencés par une horloge (signal régulier rapide, imposant un rythme au circuit et, assurant éventuellement une synchronisation avec les autres composants, tel que la mémoire). Au milieu des années 1980, les microprocesseurs fonctionnaient de 4 à 8 MHz. Courant 2004, cette vitesse d'horloge atteint 4 GHz sur des modèles commerciaux (5 GHz en laboratoire). Plus la vitesse de l'horloge est élevée, plus le microprocesseur sera capable d'exécuter à un rythme élevé les instructions de base des programmes. Mais l'augmentation de la vitesse d'horloge présente des inconvénients : plus le microprocesseur tourne vite, plus il consomme d'électricité, et plus il chauffe.
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 :
- La technologie du jeu d'instructions simplifié (RISC, Reduced Instruction Set Computer), rapide avec des instructions simples, facile à fabriquer et dont on peut monter la vitesse de l'horloge sans trop de difficultés techniques.
- La technologie appelée 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 considérable augmentation de la taille des puces électroniques et la gigantesque accélération des fréquences d'horloge, la distinction entre RISC et CISC a quasi 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 discrètement 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 étendues, comportant jusqu'à trois niveaux.
[modifier] Structure d'un microprocesseur
L'unité centrale d'un microprocesseur comprend essentiellement :
- une unité arithmétique et logique (UAL) 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 appelé pile où sont rangé les arguments des sous-programmes et les adresses de retour.
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.
[modifier] Fabrication des microprocesseurs
La fabrication d'un microprocesseur est essentiellement identique à celle de n'importe quel circuit intégré (voir le chapitre à ce sujet). Elle suit donc un procédé complexe. Mais l'énorme taille 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 désormais 45 nm (http://www.intel.com/pressroom/archive/releases/20060125comp.htm) .
[modifier] Fonctions à développer
[modifier] Organisation parallèle
Dépendant aussi du 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 2 cœurs demandent que soit étudié de près le dispatching des tâches entre eux si on ne veut pas voir observer un ralentissement des opérations ; c'est ce qu'on nomme processor affinity.
[modifier] 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 TCPA, 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. Il est à noter que Linus Torvalds estime inapproprié de comparer un logiciel à un contenu, et approuve totalement la protection des contenus par leurs propriétaires, bien qu'il considère que celle des logiciels ne soit pas une bonne idée pour ceux qui la pratiquent.
- Protection et protection, par Linus Torvalds
[modifier] 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'adressages 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.
[modifier] Systèmes d'exploitation multiple
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.
[modifier] Anticipation des problèmes et gestion à distance
Particulièrement utile pour les serveurs.
[modifier] Le problème de l'échauffement
L'échauffement des microprocesseurs reste grosso modo et malgré l'usage de techniques de gravures de plus en plus fines, proportionnel au carré de leur tension à architecture donnée. Avec <math>V</math> la tension, <math>f</math> la fréquence, et <math>k</math> un coefficient d'ajustement, on peut calculer la puissance dissipée <math>P</math> :
<math>P = k \times V^2 \times f</math>
- Un i686 à 1 GHz (1,7 V), deux fois plus rapide, consomme typiquement 34 W, ce qui n'est pas loin du quadruple.
- À 2 GHz un Opteron dissipe 107 W et un G5 55 W.
Ce problème est lié à un autre, celui de la dissipation thermique et donc souvent des ventilateurs, sources de nuisances sonores difficilement compatibles avec un environnement de bureau. Le refroidissement liquide (à eau) est proposé.
- Il est d'ailleurs (enfin avant) utile de poncer le dessus du processeur dans le but d'enlever la rugosité du matériau pour un meilleur transfert de chaleur vers le radiateur. Une pâte thermique a d'ailleurs à peu près le même rôle puisqu'elle assure une meilleure liaison sans aspérités !
- Notons qu'un microprocesseur contenant beaucoup de transistors verra sa puissance dépendre fortement de la température. Ceci est dû aux mouvements de plus en plus aléatoires des électrons en fonction de la hausse de la température.
- Notons également que si l'échauffement ne pose pas de problème majeur pour des applications type ordinateur de bureau, il en pose pour toutes les applications portables. Techniquement il est facile d'alimenter et de refroidir un ordinateur fixe. Pour les applications portables ce sont 2 problèmes délicats. Le téléphone portable, l'ordinateur portable, l'appareil photo numérique, le PAD, le baladeur MP3 ont une batterie qu'il s'agit de ménager pour que l'appareil portable ait une meilleure autonomie. De même vous ne pourrez pas rajouter un ventilateur ou envisager un refroidissement liquide sur certaines applications portables. C'est pourquoi certaines compagnies proposent des solutions "low power", qui consomment moins d'énergie mais fonctionnement souvent à fréquences limitées.
[modifier] Voir aussi
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[modifier] Liens externes
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