Tout savoir sur le matériel informatique Thème de l`exposé : Les

Tout savoir sur le matériel informatique
Thème de l’exposé : Les microprocesseurs 64bits et multicoeurs
Date : 04/11/2010
Orateurs : Quentin BRUYERE
Julien DRACHE
Les microprocesseurs 64bits et multicoeurs DRACHE-BRUYERE
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Sommaire :
1. Introduction............................................................................................................................................. 3
2. Généralités sur les microprocesseurs.................................................................................................... 3
2.1. Historique et évolution des microprocesseurs................................................................................... 3
2.2. Notions multicoeurs/multithread....................................................................................................... 4
2.3. Structure et fonctionnement d'un microprocesseur........................................................................... 5
2.4. Explication sur les GHz annoncés......................................................................................................6
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1. Introduction.
Selon la loi de Moore, le nombre de transistors des microprocesseurs double tous les 18 mois. La
finesse de gravure des composants devient de plus en plus petite (45 nm en 2006) et on imagine que
bientôt cette finesse devrait se heurter aux règles de la mécanique quantique.
Un processeur est dit microprocesseur quand ses composants sont tellement petits qu'on peut les
grouper dans un même circuit intégré. Le processeur d'un ordinateur s'occupe de traiter les données des
programmes et d'exécuter les instructions. Il manipule des informations numériques codées (sous forme
binaire) et d'exécute les instructions stockées en mémoire.
2. Généralités sur les microprocesseurs.
2.1. Historique et évolution des microprocesseurs.
En 1969, deux ingénieurs d'Intel : Marcian Hoff et Frederico Faggin invente le microprocesseur.
Marcian Hoff a travaillé sur l'architecture du microprocesseur (architecture de bloc et jeu d'instructions).
Federico Faggin quand a lui, s'est chargé de sa conception, établie sur une nouvelle logique elle-même
intoduite par lui 1an plus tôt.
Le premier microprocesseur est commercialisé le 15 Novembre 1971 ; c'est l'Intel 4004. Il fut suivi par
l'Intel 8008 qui fût créé pour répondre à la demande d'un client. Il permettait de fabriquer des contrôleurs
graphiques en mode texte, mais jugé trop lent, il devint un processeur d'usage général. Ces processeurs
sont les précurseurs de la future famille des Intel x86 que l'on connais aujourd'hui.
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Ci-dessous, le tableau représente les principaux microprocesseurs fabriqués par Intel ainsi que
l'évolution de leurs caractéristiques (à savoir que les microprocesseurs de ses concurrents ne sont pas
représentés ici) :
Date
Nom
Nb Transistors
1971
1974
1979
1982
1985
1989
1993
1997
1999
2000
2004
4004
8080
8088
80286
80386
80486
Pentium
Pentium 2
Pentium 3
Pentium 4
Pentium 4D
(Prescott)
Core 2 Duo
Core 2 Quad
Core 2 Duo
(Penryn)
Core 2 Quad
(Penryn)
Intel Core i7
(Nehalem)
Intel Core i5/i7
(Lynnfield)
Intel Core i7
(Gulftown)
2300
6000
29000
134000
275000
1.2M
3.1M
7.5M
9.5M
42M
125M
2006
2007
2008
2008
2008
2009
2010
Fréquence
Largeur des
données (bits)
108kHz
4/4 bus
2MHZ
8/8 bus
5MHz
16/8 bus
6-16MHz
16/16 bus
16-40MHz
32/32 bus
16-100MHz
32/32 bus
60-233MHz
32/64 bus
233-450MHz
32/64 bus
450-1400MHz
32/64 bus
1,3-3,8GHz
32/64 bus
2,66-3,6GHz
32/64 bus
MIPS (en
million)
0,06
0,64
0,33
1
5
20
100
300
510
1700
9000
291M
2*291M
410M
2,4GHz
3GHz
3,33GHz
64/64 bus
64/64 bus
64/64 bus
22000
2*22000
24200
2*410M
3,2GHz
64/64 bus
2*24200
731M
2,66-3,33GHz
64/64 bus
?
774M
2,66 GHz (i5)
2,93 GHz (i7)
3,33 GHz
64/64 bus
76383
64/64 bus
147600
1170M
Quand on dit exécuter un programme, on parle en fait d'exécuter un flux d'instructions via le
processeur. Ces instructions sont exécutées à partir du nombre nécessaire de cycle(s) d'horloge (expliqués
dans la suite).
– Les microprocesseurs séquentiels exécutent les instructions les une après les autres.
– On parle de parallélisme, quand le microprocesseur peut traiter plusieurs instructions dans le
même cycle d'horloge. Cependant il est important que les instructions ne concerne pas la
même ressource. Cette file d'exécution nommée Pipeline est apparu dans les années 1960
grâce à IBM.
Les derniers processeurs exécutent en même temps autant d'instructions non-interdépendantes qu'ils
ont de pipelines, le résultat de l'exécution de chacune d'entre elles ne doit pas modifier les conditions
d'exécution de l'une des autres. On appelle ces processeurs superscalaires qui apparaissent en 1965. Ainsi,
le premier processeurs compatible sur PC est le Pentium.
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Aujourd'hui, les concepteurs de processeurs ne se concentrent plus sur la recherche d'exécution
simultané des instructions mais essayent d'améliorer le vitesse de leur exécution. Ainsi l'exécution out-oforder est inventée. Ce système permet de trier les instructions de manière à ce que tous ses pipelines
contiennent des instructions indépendantes. Ce mécanisme s'est donc imposé sur les PC à partir des
années 1980 jusqu'aux années 1990.
On appelle SMT (Simultaneous Multi Threading) les procédés qui consiste à faire partager aux threads
les pipelines, caches et registres. Cela réduit le délai de changement de thread et réduit le temps liée à
l'attente de nouvelles instructions. La technique a été mise au point dans les années 1950. Au début des
années 2000, Intel commençait à produire des processeurs utilisant la technologie SMT à deux voies
autrement dit Hyper-threading.
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, les constructeurs avaient en tête l'idée d'utiliser plusieurs processeurs et les
rassembler dans un même composant. C'est ainsi qu'apparurent des processeurs utilisant deux ou quatre
cores, soit en 2001 le POWER4 d'IBM. Ils utilisent donc l'Hyper-threading ou le Super-threading. Ce
type de processeurs coûtent donc moins cher que si l'on achetait les processeurs équivalent séparés. Bien
sûr, il existe une diminution des performances totales du système.
2.2. Notions multicoeurs/multithread.
La notion de multi-coeurs (multi-core) représente un processeur possédant plusieurs « cœurs » (unité
de calcul) physiques.
On parle de multi-coeurs pour décrire un processeur possédant au moins deux cœurs différents gravés
dans la même puce. En 2005 apparurent les premiers processeurs multi-coeurs sur le marché du PC via
Intel et AMD, il s' agissait de cœurs dit homogènes (identiques). On peut retrouver des cas ou les cœurs
sont différents pour certains domaines tel que la musique, le calcul pur ou encore l'affichage ; le
processeur Cell conçu par IBM, Toshiba et Sony en ai un très bon exemple.
L'utilité de ce procédé est de ralentir la course au cycle horloge – qui est onéreux et complexe – tout en
augmentant la puissance de calcul, ce qui permet aussi de réduire la quantité de chaleur dissipé par l' effet
Joule. Toujours en 2005, AMD déploie sont nouveau processeur double-coeurs Optéron sur le marché des
serveurs, qui est basé sur une architecture x86.
La technologie HT pour Hyper-threading consiste a partir d'un processeur multi-coeurs définir 2
processeurs logiques. Cette technologie permet au système de reconnaître deux processeurs physiques et
de se comporter en système multitâches en envoyant deux threads (discussions) simultanément, comme
précédemment, il s'agit du système de SMT. Ce procédé permet d'utiliser au mieux les ressources du
processeur en permettant que les données lui sont envoyées en grande quantités.
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2.3. Structure et fonctionnement d'un microprocesseur.
Le processeur est un circuit électronique tournant au rythme d'une horloge interne par le bye d'un
quartz qui, soumis au courant, envoie des impulsions nommées « tops ». Généralement, ce cycle
d'horloge est un multiple de la fréquence de la carte mère.
On peut définir la puissance du processeur par le nombre d'instruction par secondes dont il est capable.
On utilise comme unité le MIPS (Millions d' Instruction Par Secondes) qui correspond à la fréquence du
processeur divisé par le CPI (Cycle Par Secondes). Le CPI permet de représenter le nombre moyen de
cycle pour l'exécution d'une instruction.
L'unité centrale d'un microprocesseur est composée de :
– Une UAL pour effectuer des opérations arithmétiques et logiques.
– Un registre d'instruction associé à un décodeur permettant de décomposer et d'organiser
l'exécution de l'instruction.
– Un certain nombre de registres internes, pour stocker temporairement des données ou les bits
de conditions.
– Un système de gestion d'adresses, permettant la localisation des informations, qu'elles soient
données ou instructions.
– Un ensemble de Bus, permettant de véhiculer soit des données, Bus de données, soit des
adresses, Bus d'adresse, soit des informations permettant de contrôler ces transferts, Bus de
contrôle.
Lorsque le processeur exécute des instructions, les données sont temporairement stockées dans de
petites mémoires rapides de 8, 16, 32 ou 64 bits que l'on appelle registres. Suivant le type de processeur le
nombre global de registres peut varier d'une dizaine à plusieurs centaines.
Les registres principaux sont :
– le registre accumulateur (ACC), stockant les résultats des opérations arithmétiques et
logiques ;
– le registre d'état (PSW, Processor Status Word), permettant de stocker des indicateurs sur l'état
du système (retenue, dépassement, etc.) ;
– le registre instruction (RI), contenant l'instruction en cours de traitement ;
– le compteur ordinal (CO ou PC pour Program Counter), contenant l'adresse de la prochaine
instruction à traiter ;
– le registre tampon, stockant temporairement une donnée provenant de la mémoire.
Certains processeurs ne comporte cependant pas de registre, mais ils sont rares. Seul le compteur de
programme est indispensable.
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2.4. Explication sur les GHz annoncés.
Les microprocesseurs sont réglés à partir d'un signal d'horloge (cycle correspondant au nombre
d'impulsions par seconde exprimé en Hertz). A chaque impulsion, le processeur exécute une partie
d'instruction ou une instruction entière.
La fréquence du signal a été multipliée par 1000 en 20 ans, passant de quelques MHz vers 1980 à
plusieurs GHz dans les années 2000. En augmentant la fréquence, le microprocesseur peut exécuter plus
rapidement les instructions d'un programme.
Cependant, cette augmentation de la fréquence présente un défaut : le processeur chauffe plus et il faut
donc trouver un système de refroidissement plus adéquat.
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Sources :
– wikipedia.org
– membres.multimania.fr
– ybet.be
– world-informatique.com
– et d'autres...
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