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Evolution des Microprocesseurs. Fany DOUMBIA Email: doufan@agetic.gouv.ml fany@agetic.gov.ml. Contenue de la Présentation Introduction II. Définition III. Historique IV. Les fabricants et les types de processeurs V. Principe de fonctionnement du microprocesseur
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Evolution des Microprocesseurs Fany DOUMBIA Email: doufan@agetic.gouv.ml fany@agetic.gov.ml
Contenue de la Présentation Introduction II. Définition III. Historique IV. Les fabricants et les types de processeurs V. Principe de fonctionnement du microprocesseur VI. Evolution technologique des processeurs VII. CONCLUSION
I. Introduction • Les années 70 et 80 ont vu l’avènement, puis l’explosant ascension de la microinformatique. Son histoire est pleine d’anecdotes croustillantes et de guerres fratricides sanglantes. • A l’heure ou le serveur d’aujourd’hui devient l’ordinateur personnel de demain, la marge entre microinformatique et station de travail se restreint de plus en plus. Il est dès lors, difficile de fixer des frontières infranchissables entre ces deux mondes.
II. Définition • Dictionnaire français : circuit intégré fait d'une plaque de silicium sur laquelle sont gravés des transistors et capable de réaliser des opérations arithmétiques et logiques. • Selon Intel : Un microprocesseur est, un système d'un ou plusieurs circuits intégrés qui utilisent la technologie des semi-conducteurs et la logique binaire pour proposer les fonctions des grands ordinateurs à une échelle beaucoup plus petite. • Dictionnaire informatique : Un processeur est une puce complexe à circuit intégré (en silicium) déterminant la vitesse et la puissance de l'ensemble de l'ordinateur en gérant la majeure partie du traitement des données dans la machine.
III. Historique • A la base de nos microprocesseurs actuels, il y a le transistor. Mais qu'est-ce qu'un transistor allez-vous me demander ? Il s'agit d'un semi-conducteur utilisant 3 électrodes permettant de ce fait de contrôler un courant ou une tension électrique. Le transistor n’est autre qu'un interrupteur agissant sur l’amplification, la stabilisation mais aussi la modulation d’un signal électrique . Le terme "transistor" vient de la contraction de 2 mots anglais, "Transconductance varistor" (ou "résistance variable de transconductance" dans la langue de Molières) • Cette formidable invention est due à 3 chercheurs américains du laboratoire Bell Labs en décembre 1947. Avant cette invention, les dispositifs électroniques fonctionnaient à l'aide de tubes électroniques. Le transistor allait rapidement s'imposer face à ces derniers. Là ou un tube électronique nécessite une dizaine de secondes de chauffage pour être opérationnel, le transistor l’est dès sa mise sous tension. Il est également plus petit, plus léger et robuste, il ne nécessite qu'une faible tension électrique pour fonctionner contrairement au tube qui est un gouffre énergivore.
Invention du microprocesseur • C'est en 1971 que la Société Intel réussit pour la 1ère fois à placer plusieurs transistors sur le même circuit intégré donnant ainsi naissance au microprocesseur tel que nous le connaissons aujourd’hui. Avant cette date, personne n'avait réussi à miniaturiser assez suffisamment les transistors et il était nécessaire d’utiliser plusieurs circuits intégrés. • Les bénéfices de cette miniaturisation due aux ingénieurs Hoff et Faggin furent nombreux : augmentation de la vitesse de fonctionnement, augmentation de la fiabilité, réduction de la consommation d’énergie, réalisation d'ordinateurs évidemment plus petits et réductions des couts.
Succès puis émergence de concurrents • Le succès des microprocesseurs Intel donna de l'appétit à de jeunes loups dans ce domaine. Un des premiers à concevoir sous licence des puces compatibles X86 fut la firme AMD. Fondée en 1969 et installée à Sunnyvale en Californie, la firme Advanced Micro Devises se spécialisa d'abord dans les semi-conducteurs. C’est en 1976 qu'AMD et Intel signent un accord de licences croisées sur des brevets. Une des 1ères puces AMD sous licence Intel
C’est en 1991 qu'AMD commercialise sa gamme de microprocesseurs AM386, signant ainsi la fin du monopole d’Intel dans ce domaine. Microprocesseur AMD AM386
Un peu plus près de là, une autre société a tenté de briser le monopole d’Intel sur le marché des puces X86. C’est en 1987 que la société Cyrix voit le jour. Elle eut son heure de gloire en 1995 avec la commercialisation de la gamme 6x86 Pxx+ , concurrente redoutable et bon marché des "Pentium" de Intel . Microprocesseur Cyrix Malheureusement pour Cyrix , AMD était déjà bien implanté sur le marché . La société a été rachetée en 1999 par le taiwanais VIA Technologies. Maintenant , VIA (qui est à ce jour le seul constructeur capable de construire un ordinateur de A à Z de par ses compétences dans les domaines des chipsets , microprocesseurs , mémoires et puces graphiques) a délaissé ce marché pour se concentrer sur sa plate-forme "Nano" destinée aux ultraportables .
Autres familles • Il existe cependant d'autres familles de microprocesseurs que la x86 mise au point par Intel. On distingue parmi les principales : • - RISC Power, développée conjointement par IBM, Freescale (anciennement Motorola) et Apple. Cette architecture a équipé les Macintosh d'Apple jusqu'en 2006 sous le nom de PowerPC. Un PowerPC de chez Motorola
- ARM, développé par Acorn . Cette famille de microprocesseurs se retrouve principalement dans les Smartphones et PDA.- 68000 développé par Motorola. Ces microprocesseurs ont équipés les AMIGA, ATARI ST, les 1ers Mackintosh et aussi la SEGA MEGADRIVE. Le 68000 de Motorola. - Z80, développé par Zilog . Société fondée par F. Faggin après son départ de chez Intel en 1974. Ces microprocesseurs se retrouvèrent dans une grande majorité des ordinateurs 8 bits "stars" des années 80 (Sinclair ZX80, AMSTRAD CPC etc...)
IV. Les fabricants et les types de processeurs • Il existe sur le marché grand public, différents types de processeurs. Le tableau qui suit, vous donne la liste des plus courants.
V. Principe de fonctionnement du microprocesseur • Le microprocesseur est donc un circuit électronique cadencé par une horloge interne (en fait un cristal de quartz). Quand cette horloge interne est soumise à un courant électrique, elle envoie des impulsions. • C’est ce nombre d’impulsions par seconde qui détermine la fréquence d’horloge du microprocesseur. Cette fréquence est exprimée en hertz. Ainsi, un microprocesseur cadencé à 500 MHz envoie donc 500 millions d'impulsions/seconde. • A chaque impulsion, le microprocesseur exécute donc une instruction (ou une partie d'une instruction). On utilise un indicateur dénommé CPI (soit Cycles Par Instruction) pour déterminer le nombre de cycles d'horloge nécessaires à l’exécution d'une instruction. C’est donc par le nombre d'instructions par seconde qu’est capable d’effectuer un microprocesseur que l’on détermine sa puissance. • C’est ici que rentre en jeu une autre unité appelé MIPS (soit Millions d'Instructions Par Seconde). On la détermine tout simplement en divisant la fréquence du microprocesseur par le CPI
Comme vous avez pu le constater, un certain nombre de concepts plus ou moins complexes reviennent couramment dans les débats sur les processeurs. Je vais vous expliquer les trois paramètres principaux qui contribuent à identifier un processeur. Les deux éléments primordiaux à son identification est sa largeur et sa fréquence. • La fréquence est une notion relativement simple à appréhender. Elle se mesure en mégahertz (MHz) ou en gigahertz (GHz) et correspond au nombre de millions ou de billions de cycles par seconde que le processeur est capable d’effectuer. Bien entendu plus cette valeur est élevée, plus le processeur sera rapide. • La largeur de bande d’un processeur est un concept déjà plus complexe, car le processeur possède en fait trois variables exprimés sous la forme d’une largeur, nos trois paramètres : • 1) Le bus d’entrées/sorties de données ; • 2) Le bus d’adresses ; • 3) Les registres internes ;
Bus d’entrées/sorties de données • Si vous utilisés un ordinateur, vous savez déjà que dans celui-ci, les données sont envoyées sous forme d’informations numériques, langage binaire. Dans un même laps de temps, l’ordinateur génère une tension de 3,5 Volt ou 5 Volt pour signaler un bit de donnée 1, et une tension de 0 Volt pour communiquer un bit de données 0. Plus le nombre de fils est important, plus le nombre d’octets (1 octet = 8 bits) transférés en intervalle de temps donné est grand. Tous les processeurs modernes, depuis le Pentium jusqu’au dernier Core 2 Duo, et même Core i7, disposent d’un bus de données d’une largeur de 64 bits, soit 8 octets (8 octets x 8 bits = 64 bits). Ils peuvent ainsi transporter 64 bits de données en même temps vers ou depuis le chipset de la carte mère ou la mémoire système.
Bus d’entrées/sorties de données • Pour bien comprendre la manière dont les informations circulent, je vais prendre l’exemple le plus utilisé par les analystes, celui de l’autoroute. Donc si une autoroute ne comprend qu’une seule voie dans chaque sens, on peut en déduire qu’une seule voiture pourra se déplacer à la fois dans un sens. Pour augmenter le trafic, il est possible d’ajouter une seconde voie ce qui permettra d’avoir deux fois plus de véhicules qui pourront circuler dans le même laps de temps. Le processeur 8 bits peut être comparé à une autoroute à une voie unique, puisque seul un octet peut circuler sachant que un octet équivaut à 8 bits. Afin d’augmenter encore le trafic, on peut décider de construire une autoroute à quatre voies dans chaque sens. Cet exemple et le modèle type d’une architecture correspondant à un bus de données 32 bits, capable de transférer 4 octets d’informations simultanément. Si l’on pousse un peu plus loin notre exemple on obtiendra un bus de données de 64 bits que l’on peut comparer à une autoroute à huit voies dans chaque sens.
Bus d’adresses • Le bus d’adresses est l’ensemble des fils qui transportent les informations d’adressage utilisées pour d’écrire la zone de mémoire dans laquelle les données sont envoyées ou depuis laquelle les données proviennent. Tout comme pour le bus de données, chaque fil transporte un seul bit d’information. Ce bit est toujours un chiffre unique de l’adresse. Plus il y a de fils (chiffres) utilisés pour calculer ces adresses, plus le nombre de zones d’adresses est important. La taille ou largeur du bus d’adresses indique la quantité de RAM maximale que le processeur peut adresser.
Bus d’adresses • Pour reprendre l’exemple de notre autoroute, si le bus d’entrée/sortie de données est représenté par l’autoroute et que sa taille correspond au nombre de voies, le bus d’adresses correspond au numéro de maison ou plus simplement à l’adresse dans la rue. On peut voir que la taille du bus d’adresse correspond au nombre de chiffres du numéro de la maison. Par exemple, si vous habitez une rue où il n’y a que des adresses à deux chiffres (en informatique binaire, base 10), il ne peut y avoir que cent adresses (00-99) distinctes dans votre rue que l’on écrira 10 puissances 2. Si l’on ajoute un chiffre, le nombre d’adresses passera à mille (000-999), soit 10 puissance 3.
Bus d’adresses • La taille du bus de données est une indication de la capacité de déplacement d’informations du processeur ; La taille du bus d’adresses indique la quantité de mémoire qui peut être gérée par la puce. Il faut retenir que la taille des bus peut fournir de précieuses informations concernant la puissance relative d’un processeur mesurée suivant deux méthodes intéressantes.
Registres internes (bus de données internes) • La taille des registres internes d’un processeur est également un bon indicateur de la quantité d’informations que celui-ci peut gérer en un temps données et de la façon dont il déplace les données en interne. Il est quelquefois référencé par les techniciens sous l’appellation « bus de données interne ». La taille des registres internes est sensiblement égale à celle du bus de données interne. C’est quoi un registre ? Une cellule de stockage située à l’intérieur du processeur. A titre d’exemple, le processeur peut additionner des nombres dans deux registres différents, puis stocker le résultat dans un troisième registre. Il faut retenir que la taille d’un registre détermine la quantité de données que le processeur peut traiter. Mais le plus important cette taille décrira également les types de logiciels ou de commandes et d’instructions que le processeur peut exécuter.
Registres internes (bus de données internes) • Presque tous les processeurs modernes utilisent des registres internes de 32 bits, ils peuvent par conséquent faire fonctionner les systèmes d’exploitation identiques et les mêmes logiciels 32 bits. Certains processeurs comme par exemple le Core 2 Duo est compatible pour faire fonctionner les logiciels et systèmes d’exploitations soit en 32 bits ou 64 bits car il intègre en son cœur les deux variantes de registres internes. Si l’on prend des processeurs destinés aux serveurs comme par exemple l’Intel Itanium a pour sa part des registres internes de 64 bits, ce qui suppose qu’il ne pourra faire fonctionner que des systèmes d’exploitation et des logiciels en 64 bits.
Registres internes (bus de données internes) • Les registres internes ont souvent une taille supérieure à la largeur du bus de données, ce qui signifie que le processeur a besoin de deux cycles d’horloges pour remplir un registre avant que celui-ci ne soit exploitable. Par exemple les anciens processeurs comme l’Intel 386SX et 386DX avaient tous deux des registres internes de 32 bits, mais les 386SX devaient s’y reprendre à deux fois pour les remplir, alors que les 386DX pouvaient le faire en une seule passe ou on dirait plutôt de nos jours en un seul cycle d’horloge. Il en était de même lorsque les données quittaient les registres pour revenir dans le bus système.
Registres internes (bus de données internes) • Les Pentium par contre reposent sur une architecture inverse. Tous les pentiums remplacés actuellement par l’architecture Core (Core 2 Duo, Core 2 Quad), possèdent un bus données 64 bits comme on a pu le voir plus haut, mais des registres de seulement 32 bits. Cette structure était apparemment problématique pour Intel car le Pentium était équipé de deux pipelines internes (sorte de tuyau ou sont traité les données) de 32 bits (2 x 32 bits = 64 bits) permettant de gérer le flux d’informations. On disait à l’époque que le Pentium équivalait à deux puces 32 bits en une. Problématique car il fallait beaucoup plus de temps pour traiter les données par rapport à un bus de données unique de 64 bits qui assurait un approvisionnement bien plus efficace. On dit d’un processeur qui utilise plusieurs pipelines comme le Pentium, qu’il est d’une architecture super scalaire.
Registres internes (bus de données internes) • Pour information les processeurs de sixième génération les plus avancés, tels le Pentium III ou le Pentium 4 possèdent pas moins de six pipelines internes pour exécuter les instructions alors que le Core de Duo possède des pipelines plus court, plus large avec moins d’étages ce qui explique ses excellentes performances. Certains de ces pipelines internes étaient aussi réservés pour des fonctions spéciales afin de pouvoir exécuter trois instructions en un même cycle d’horloge.
VI. Evolution technologique des processeurs • Depuis les années 40, l'informatique et l'électronique font cause commune. Comme les ordinateurs sont des appareils très complexes, ils ont bénéficié des avancées successives de l'électronique pour améliorer leur fiabilité, leurs performances et leur miniaturisation. • L'invention du transistor en 1947 n'a pu s'appliquer aux ordinateurs qu'une dizaine d'années plus tard, lorsque ces composants sont devenu plus fiables et plus rapides par l'utilisation du silicium. Cette évolution technologique, alliée à l'utilisation des mémoires à tore, permit aux ordinateurs d'acquérir une certaine maturité. Durant les années 60 ces machines sont progressivement passées du stade de machines à calculer à celui d'ordinateurs. L'on vit apparaître des applications comme les traitements de texte, les bases de données, les applications graphiques, l'analyse des langues naturelles, etc… qui n'étaient plus strictement du calcul.
CONCLUSION Pour résumer, la performance double tous les 18 mois, il est difficile pour le commun des mortels d'être à la pointe de cette technologie, dans une utilisation quotidienne. Le rapport prix/performance quant à lui ne cesse de baisser, pour exemple 1 go de mémoire coutait environ 3 280 000F CFA sur un 3090 ibm, alors qu'aujourd'hui 13 120F CFA suffisent. La baisse du prix des composants a permis la démocratisation de cette technologie. Selon les statistiques de l'OCDE, pour la France, en 2001 32% des foyers avaient accès à un ordinateur alors que 56% l'ont en 2008. Et demain, qu'en sera-t-il, plusieurs axes de recherche.
CONCLUSION La première idée qui vient à l'esprit consiste à utiliser la lumière à la place de l'électricité. Le photon à la place de l'électron. Un ordinateur à photons pourrait fonctionner au moins 1000 fois plus rapidement qu'un ordinateur à électrons. Il reste à inventer le « transistor à photons ». Certains dispositifs existent et permettent d'espérer une solution mais comme il n'y a pas de piste très sérieuse pour une industrialisation, il est très probable que nous continuerons au-delà de 2013 voire 2017 avec la technologie actuelle basée sur l'électron. Autre piste, plus du domaine de la science-fiction, l'ordinateur biologique. Pourquoi pas, ce qui n'est pas encore inventé reste du domaine de l'imaginaire.
CONCLUSION Notre Core i7 sera sans aucun doute un peu fade. La course au GHZ, au nombre de cœurs, à la finesse de gravure et aux nouveaux matériaux est loin d'être terminée et reste bien d’actualité. De beaux jours lui sont encore promis. Donc il faut bien informer que celui qui peut dire aujourd'hui ce que sera demain.
