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Un microprocesseur (microprocessor en anglais) est un processeur dont les composants ont été suffisamment miniaturisés pour que l’ensemble du processeur puisse tenir sur un seul circuit intégré.

Fonctionnellement, le processeur est la partie d’un ordinateur qui exécute les opérations arithmétiques et logiques contenues dans les programmes, ces derniers composent la partie logicielle de cet ordinateur.

Die d'un circuit intégré Intel 80486DX2 dans son boitier

Description [modifier]

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

Cette miniaturisation a permis:

• D'augmenter les fréquences de fonctionnement du processeur, car les distances entre les composants sont réduites ;
• De réduire les coûts, car un seul circuit en remplace plusieurs ;
• De créer des ordinateurs bien plus petits : les micro-ordinateurs.

Le passage sur semi-conducteur de certains composants n'est pas sans poser quelques problèmes.

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, exécuter un sous-programme. Un processeur peut exécuter plusieurs douzaines d’instructions différentes.
• La complexité de son architecture. Cette complexité se mesure par le nombre de transistors contenus dans le microprocesseur. Plus le microprocesseur contiendra de transistors, plus il pourra exécuter d’instructions en une seconde.

• Le nombre de bits que le processeur peut traiter en une instruction. Les premiers microprocesseurs ne pouvaient additionner des nombres de plus de 4 bits en une seule instruction. 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 en une seule instruction.
• La vitesse maximale de l’horloge qu’il peut supporter. Le rôle de l’horloge est de cadencer le rythme du travail du microprocesseur. Plus la vitesse de l’horloge augmente, plus le microprocesseur complète d’instructions en une seconde.

Tout ceci est théorique, dans la pratique, selon l'architecture du processeur, le nombre de cycles d'horloge pour compléter 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 à 400Mhz peut être plus rapide qu'un autre B tournant lui à 1Ghz, tout dépend de leurs architectures respectives.

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

Histoire [modifier]

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 XXIème Siècle" Jean-Baptiste Waldner, Hermes Science, London, 2007 (avec la permission de l'auteur)

Le microprocesseur a été inventé par Marcian Hoff (surnommé Ted Hoff) en 1971, alors qu'il était ingénieur chez Intel.

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 lui aurait permis 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. Il semble que Gilbert Hyatt n'ai pas abandonné et espère faire revoir cette décision.

Le premier microprocesseur commercialisé, le 15 novembre 1971, est l' Intel 4004 4-bits. Ce microprocesseur a servi initialement à fabriquer des contrôleurs graphiques en mode texte. Il fut suivit par l' Intel 8008. 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 la fulgurante évolution des microprocesseurs autant en augmentation du nombre de transistors, en miniaturisation des circuits et en augmentation de puissance.

Date : l’année de commercialisation du microprocesseur.
Nom : le nom du microprocesseur.
Transistors : le nombre de transistors contenus dans le microprocesseur.
Finesse de gravure : 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 de l’horloge de la carte mère qui cadence le microprocesseur. MHz = millions de cycles par seconde. GHz = milliards 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 complétées par le microprocesseur en une seconde.

Familles de microprocesseurs [modifier]

Une famille de microprocesseurs est l’ensemble des modèles de microprocesseurs qui peuvent exécuter le même jeu d'instructions de base. Ce jeu d'instructions est un minimum commun et souvent les processeurs les plus récents d'une famille présentent de nouvelles instructions qui ne sont pas toujours mises à profit par souci de compatibilité avec les autres processeurs de la famille. Par exemple le code actuel dit x86 est en fait du code x386 qui permet la protection mémoire et qui ne fonctionnerait pas sur des processeurs x286.

Il existe plusieurs familles de microprocesseurs :

• La famille la plus connue par le grand public est la famille x86, développée principalement par les compagnies Intel (fabricant du Pentium), AMD (fabricant du Athlon), VIA et Transmeta. Les deux premières compagnies dominent maintenant le marché et elles fabriquent la plus grande partie des microprocesseurs pour micro-ordinateurs Compatible PC. La compagnie Intel équipe 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. Pour les consoles de jeu, un microprocesseur dérivée du PowerPC (nom de code Broadway) équipe la Wii, la GameCube, un autre dérivé à trois cœurs (nommé Xenon) équipe la Xbox 360, quant à la Playstation 3, elle est équipée d'un processeur différent, le Cell, dérivé du POWER4, pourvu d'un cœur principal et de huit cœurs spécifiques.

• 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, le standard MSX, les Amstrad CPC et plus tard dans les systèmes embarqués.

• La famille 6800 de la compagnie Motorola.

• 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 serveurs et stations de travail de Sun Microsystems.

• 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.

• La famille StrongARM est de nos jours utilisée uniquement dans les systèmes embarqués, dont de nombreux PDA 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.

Fonctionnement [modifier]

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 :

1. La technologie du jeu d'instructions simplifié (RISC, Reduced Instruction Set Computer), rapide avec des instructions simples de taille standardisée, facile à fabriquer et dont on peut monter la vitesse de l'horloge sans trop de difficultés techniques.
2. 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 diminution 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.

Structure d'un microprocesseur [modifier]

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 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.

Article détaillé : Architecture des processeurs.

Overclocking [modifier]

Principe [modifier]

On peut traduire overclocking en français par le terme surfréquençage. Overclocker un processeur (ou une carte graphique) consiste à faire fonctionner ce composant à une vitesse supérieure à la vitesse de fonctionnement normale. On comprend donc assez rapidement l'intérêt d'overclocker son processeur ou sa carte graphique surtout quand on sait que le gain peut atteindre jusqu'à 10~20% pour la plupart des processeurs. Les Core 2(tm) Duo (et dans une moindre mesure les Core 2(tm) Quad, du fait de leur dissipation thermique élevée) se distinguent du reste des processeurs par leur capacités d'overclocking incroyables : 30% pour l'immense majorité des C2D sans effort, jusqu'à +50% en prenant le temps de régler tous les paramètres correctement, et plus encore en utilisant des systèmes de refroidissement plus évolués (ventirads énormes en cuivre, compresseurs, ou même azote liquide pour aller jusqu'à doubler la fréquence initiale du processeur).

Augmenter la fréquence du processeur augmente en fait la vitesse du bus de données principal de la machine (FSB), et donc accélère tous les composants branchés sur la carte mère. La fonction PCI-Lock, présente sur absolument toutes les cartesmères récentes, permet d'éviter ce problème et limite l'augmentation de fréquence au processeur et à la mémoire.

Risques et dangers [modifier]

L'overclocking est bien entendu sous la responsabilité de celui qui le pratique et l'auteur de cet article ne pourra pas être mis en cause pour les éventuels dégats que vous feriez subir à votre matériel. Le principal risque de l'overclocking est de griller le processeur par application d'une tension d'alimentation trop importante (Vcore). Dans le passé, les processeurs risquaient également de bruler si la température devenait trop élevée, mais actuellement absolument tous les processeurs coupent automatiquement le système si la température atteint un niveau dangereux. Le fait d'utiliser le processeur a une fréquence supérieure a également une influence sur sa durée de vie, même si on considère en général que la réduction est négligeable comparé au temps de vie d'un processeur (rarement plus de 5 ans).

Refroidissement du processeur [modifier]

Le problème le plus important de l'overclocking est donc le refroidissement du processeur.

• Le système le plus couramment utilisé est le ventilateur monté sur un radiateur (le radiateur est une plaque de métal comportant des ailettes qui permet d'améliorer les échanges de température entre le processeur sur lequel il est monté et l'air ambiant). Le ventilateur peut aussi être monté directement sur le processeur, mais le refroidissement sera moins bon; parfois une petite plaque de métal intercalée entre le ventilateur et le processeur aide à dissiper la chaleur du processeur. Le ventilateur doit être le plus volumineux possible pour permettre un brassage d'air important qui contribuera aussi à la ventilation du boîtier...
• L'aération est, elle aussi, très importante car c'est le brassage de l'air du boîtier qui va permettre d'évacuer la chaleur, que les éléments ont fourni à l'air, à l'extérieur. C'est pour cela qu'un boîtier "ordonné" permet de minimiser les obstacles à la ventilation. En effet les nappes des disques dur, et notamment les nappes SCSI, qui sont très larges, si elles sont situées devant un élément qui chauffe (devant le processeur par exemple) vont nuire à la circulation d'air et risquent de provoquer une surchauffe (même pour un processeur non-overclocké) ; ce problème est rendu négligeable par l'utilisation de nappes Serial-ATA très fines (de 0,5 à 1 cm).

Fabrication des microprocesseurs [modifier]

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 atteint désormais 45 nm (http://www.intel.com/pressroom/archive/releases/20060125comp.htm). Cela fixe la vitesse de traitement maximale d'un microprocesseur aux alentours de 4GHZ. En diminuant encore la finesse de gravure, les fondeurs se heurtent aux règles perturbantes de la Mécanique quantique qui bouleversent les résultats des calculs.

Fonctions à développer [modifier]

Organisation parallèle [modifier]

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 demandent que soit étudié 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 l'affinité du processeur (processor affinity).

Sécurité et location [modifier]

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. 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

Mémoire étendue [modifier]

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.

Systèmes d'exploitation multiple [modifier]

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 [modifier]

Particulièrement utile pour les serveurs.

Le problème de l'échauffement [modifier]

L'échauffement des microprocesseurs reste approximativement et malgré l'usage de techniques de gravures de plus en plus fines, 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 :

• 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 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 conduction en absorbant les aspérités.

• 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.

• 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. De même vous ne pourrez pas rajouter un ventilateur ou envisager un refroidissement liquide sur certaines applications portables. C'est pourquoi certains fabricants proposent des solutions "low power", qui consomment moins d'énergie mais fonctionnement souvent à fréquences limitées.

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