La technologie des processeurs en informatique depuis les années 1980

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1 AMD G4 GOURIOU Yann-Louis ère Année

2 SOMMAIRE 1. Introduction Page Les premiers pas dans l ère informatique. Page Le rôle du processeur dans son environnement. Page 5 2. Architecture des processeurs Page Architecture interne. Page Architectures RISC et CISC. Page Mesures de performances. Page Technique de fabrication des processeurs Page Du silicium au processeur. Page Evolution des techniques. Page Encapsulation des processeurs. Page Quelle technologie future pour la fabrication des processeurs? Page Nouvelles architectures. Page Nouvelles technologies de fabrications. Page Perspectives de recherches. Page 28 ANNEXE A : GLOSSAIRE Page 29 ANNEXE B : ROADMAP Page 32 ANNEXE C : BIBLIOGRAPHIE Page 35 GOURIOU Yann-Louis ère Année

3 1. INTRODUCTION De nos jours, quand nous parlons d informatique ou d ordinateur entre amis, il n est pas rare d évoquer la vitesse du processeur équipant telle ou telle machine. Mais qu est donc un processeur (on entend encore parler de microprocesseur, ce qui est devenu un lapsus aujourd hui). Même si la naissance du concept de processeur date du 19 ème siècle, nous ne nous attarderons pas sur ses débuts. Depuis l arrivée sur le marché du 8088 d Intel, les progrès technologiques permettent d évoluer de plus en plus rapidement, c est pourquoi nous avons choisi de ne traiter que les processeurs depuis Mais l utilisation de processeurs ne se limite pas à l informatique, on en retrouve dans beaucoup de domaines, cependant nous nous limiterons à son utilisation en informatique. Si nous devions définir un processeur en deux mots, nous dirions, une puce qui permet de calculer très vite, et qui est capable d effectuer toute sorte d opération et ce de manière ordonnée. Et tout ça pour nous rendre service, à travers des applications : jouer, éditer, retravailler de la musique, vidéo analogique ou numérique, retoucher modifier des photos, concevoir des pièces en 3D, surveiller des process industriels etc. Le but de ce document est d explorer le fonctionnement de ce composant, mais aussi de voir comment on le fabrique. Pour ce second thème, nous resterons assez généralistes car les secrets de fabrication sont bien gardés par les constructeurs qui sont aussi appelés les fondeurs. Pour mieux comprendre comment ils fonctionnent, découvrons, ensemble ses premiers pas. GOURIOU Yann-Louis ère Année

4 1.1 Les premiers pas dans l ère informatique Les ordinateurs mécaniques Avant de parler de processeur, on parlait de calculateur. Ces calculateurs sont les ancêtres des ordinateurs numériques. Blaise Pascal, en 1642, fabriqua la première calculatrice pour additionner (voir figure cicontre) : elle était constituée d une série de roues crantées (10 crans pour les chiffres de 0 à 9). Leibniz repris le principe de Pascal pour l améliorer. Sa calcutrice faisait aussi les multiplications. D autres applications ont été expérimentées toujours du point de vue mécanique : Le métier automatique de Joseph Marie Jacquard, au début du XIX e siècle, pour faire des motifs compliqués, utilisait des plaques fines en bois perforées. Vers les années 1880, Hermann Hollerith un statisticien eut l idée d utiliser des cartes perforées. En 1890, ce procédé est utilisé pour calculer des statistiques sur le recensement de la population des Etats-Unis. En 1896, Hermann Hollerith, fonda la Tabulating Machine Corporation qui devint la société IBM. La machine différentielle (voir figure ci-contre) de Charles Babbage, mathématicien et inventeur britannique (1833), était censée résoudre des problèmes mathématiques. Malheureusement, il ne put l achever car les technologies de l époque furent un frein à sa concrétisation. Elle avait un fonctionnement similaire aux ordinateurs actuels, elle pouvait stocker des informations sur cartes perforées. Au début du XX è siècle, les premiers ordinateurs reprirent le même principe d axes et d engrenages. On y ajouta petit à petit des contacteurs électriques qui servaient dans des systèmes électriques. Puis les évolutions et différentes découvertes faites tout au long du siècle, permirent d arriver au niveau d intégration, de miniaturisation et de haute technologie qu est aujourd hui le processeur. Ce n est pas négligeable, quand on voit l importance qu il a aujourd hui dans notre société et tous les progrès qu il a permis. Sans lui il n aurait probablement pas été possible d aller sur la lune, de faire de grandes découvertes dans le domaine médical ou tout simplement de communiquer aussi facilement que le permet Internet. Mais le processeur doit être installé dans un environnement doté d un certain nombre de périphériques pour fonctionner. GOURIOU Yann-Louis ère Année

5 1.2 Le rôle du processeur dans son environnement Carte mère Abit KG7-Raid. Un processeur ne peut fonctionner seul ; il est donc intégré dans un environnement. En ce qui nous concerne, le processeur est enfiché sur une carte mère qui permet, grâce à d autres composants, de communiquer avec des périphériques d entrée et de sortie, et sans oublier l alimentation bien sûr. On trouve de plus en plus de périphériques, mais citons pour exemples les plus courants. Pour les périphériques d entrée : clavier, souris, etc. Pour les périphériques de sortie : écran, imprimante, etc. Mais on voit apparaître aussi des périphériques de mémorisation pour stocker des résultats intermédiaires. Cependant, le matériel ne suffit pas, il faut donner au processeur la marche à suivre. Pour cela, on utilise un programme qui définisse l ensemble des opérations à effectuer entre les entrées et les sorties. Le traitement des données est défini par des opérations mathématiques, mais aussi par des déplacements de données entre les différents types de mémoire ( Voir page 8 ). Il est ainsi comparable à un chef d orchestre lisant sa partition, car il délègue certaines taches à d autres puces plus dédiées qui prennent leur place au sein de l ordinateur. Exemple : le processeur d accélération graphique de la carte vidéo s occupe de calculer les coordonnées des points à afficher sur l écran. GOURIOU Yann-Louis ère Année

6 Pour pouvoir communiquer avec un ordinateur on va devoir utiliser des interfaces. Un clavier, par exemple et une interface homme-machine qui permet de traduire la frappe d une touche correspondant à une lettre en signal électrique binaire compréhensible par l ordinateur, il y a une couche matérielle entre le processeur et le clavier qui s occupe de la traduction. Etant donné le flux de données mis en œuvre aujourd hui par des programmes, il est indispensable que les processeurs calculent vite. Qui n a jamais pesté car tel ou tel logiciel avait un temps de réponse trop long sur son ordinateur? Cependant, il existe plusieurs méthodes pour calculer vite : Utiliser beaucoup d outils Décomposer au maximum le calcul à effectuer. Mais d abord, voyons de plus près l organisation à l intérieur d un processeur. GOURIOU Yann-Louis ère Année

7 Gravure d un processeur sur du silicium. 2. ARCHITECTURE D UN PROCESSEUR 2.1 Architecture interne Un processeur est une puce unique qui est constituée de millions de transistors qui sont analogues à des portes qui s ouvrent et qui se ferment (état 0 ou 1 en langage binaire) et qui associés, forment un ensemble logique qui sera apte à effectuer des opérations. Ceci est le fondement de base du processeur. Cependant, un processeur est constitué de plusieurs éléments qui auront chacun une fonction précise. On peut en distinguer plusieurs catégories telles que les unités de calculs, les mémoires ou encore les bus Unités de calculs Une unité de calcul comme son nom l indique, est la partie qui va s occuper d effectuer les calculs. Ces calculs se font de manière séquentielle, autrement dit, ils sont effectués par blocs. L unité qui quantifie le nombre d opérations à effectuer est le flop. Aujourd hui, les processeurs dépassent la dizaine de giga flops effectués par seconde! Il y a plusieurs types d unité de calcul en fonction des opérations que doit effectuer le processeur. Ainsi, nous avons l unité arithmétique qui calcule avec des nombres entiers. Les opérations qu elle effectue sont basiques : additions, soustractions, multiplications ou encore des divisions (plus consommatrices en nombre de flops). Il y a aussi l unité de calcul flottant qui calcule avec des réels. Les opérations comprennent celles précédemment citées, mais aussi des fonctions mathématiques plus complexes, telle que la racine carrée, etc. GOURIOU Yann-Louis ère Année

8 Mais les fondeurs ont tendance à ajouter d autres unités telles que les DSP spécialisés dans le traitement du signal analogique ou encore l unité de calcul super scalaire. Ainsi, on a vu apparaître chez Intel l unité multimédia MMX en 1997, puis ce fut AMD avec le 3Dnow! en 1998, qui a vu son équivalent apparaître chez Intel (SSE), et Altivec en Ces dernières sont un bon complément de l unité de calcul flottant. Ces derniers types d unités sont en général intégrés en temps que module et non intégrés directement au cœur du processeur comme l unité de calcul des entiers. On les appelle des unités multimédia. Elles sont souvent bien mieux dimensionnées que le reste du processeur; ainsi elles ont de grands registres de 64 ou 128 bits comme par exemple, le module Altivec du G4 de Motorola Mémoires internes ou cache Les mémoires internes ou cache sont primordiales pour le bon fonctionnement du processeur. Celles ci vont permettre de stocker les variables des opérations et les résultats que le processeur est en train de traiter. Il existe différents niveaux de mémoire cache : le niveau 1, le niveau 2 et le niveau 3. Plus le niveau est élevé plus la dimension du cache sera grande, mais plus son accès sera long. A l heure actuelle la taille du niveau 1 est de 64 kilo-octets sur tous les processeurs. Cette mémoire cache est intégrée au plus près du processeur ce qui lui permet de fonctionner à la même vitesse que celui-ci. Ce niveau sert surtout à stocker les résultats intermédiaires ce qui requiert une très grande vitesse. Ensuite on peut distinguer deux types de processeurs. Sur un processeur de technologie CISC (voir page 12) la taille du niveau 2 est comprise entre 128 Ko et 512 Ko en fonction de la gamme du processeur. Sur un processeur de technologie RISC (voir page 13) le niveau 2 à une taille comprise entre 256 Ko et 1 Mo. Au début, cette mémoire cache était intégrée sur la carte mère ce qui ne permettait pas d en tirer le meilleur parti. Maintenant grâce au progrès d intégration cette mémoire est directement implantée dans le boîtier du processeur mais fonctionne en général moins vite que le cache de niveau 1. Ce niveau sert à stocker les données initiales et les résultats finaux car le processeur ne peut pas effectuer d opération directement là ou se trouvent les données, donc il les rapatrie. Le cache de niveau 3 n existe que sur les processeurs de technologie RISC et sa taille est comprise entre 2 Mo et 8 Mo. C est le plus gros de tous, et son intégration reste très rare, il est le plus souvent placé très proche du processeur. Pour le grand public, c est Motorola (pour Apple) qui l intègre. Cependant, on retrouve son intégration sur des stations de travail ou des serveurs. Ce type de cache sert surtout pour stocker une série d instructions qui reviennent souvent. GOURIOU Yann-Louis ère Année

9 2.1.3 Les Bus Un bus est comparable à une autoroute. C est la voie de communication entre deux unités. Tout y passe : données sous forme de train d impulsions, de résultats etc. Sans bus, il n y aurait pas communication. Un bus est défini par : Sa largeur : C est le nombre de voies parallèles (fils) que contient le bus. Ceci correspond au nombre de bit (0 ou 1) que peut véhiculer le bus par top d horloge. Un bus 32 bits aura donc 32 voies parallèles et pourra transporter 32 bits simultanement. Sa fréquence : La fréquence (exprimée en Hertz (Hz)) d'un bus correspond au nombre de bits véhiculé par seconde par voie. L'intervalle de temps compris entre chaque bit est appelé période. Plus la fréquence est élevée plus le bus peut traiter des données. Sa bande passante : C est la quantité d information ou de données qui peut transiter dans le bus et elle est déterminée par la relation suivante : Fréquence du bus * Largeur du bus = Bande passante (Go/s). Dans un processeur, il y a plusieurs bus. Le bus de données et celui d adresse communiquent avec la mémoire interne et externe (cache niveau 3). Il faut s arranger pour que ces bus aient la meilleure bande passante possible car il n est pas question, comme sur les autoroutes, qu il y ait des embouteillages sinon, les performances du processeur se verraient gravement réduites. Ainsi si la mémoire cache débite plus vite que ce que la bande passante du bus est capable de supporter, on va saturer le bus. Il en est de même entre le processeur et le bus. Donc le bon dimensionnement des différents bus est primordial pour le bon fonctionnement du processeur et surtout de la machine qu il équipe Organisation des bus dans un ordinateur GOURIOU Yann-Louis ère Année

10 Le bus système Le processeur possède son propre bus pour communiquer avec la carte mère : c est le bus système. Il est appelé ainsi, car les performances générales de tout l ordinateur dépendent de la vitesse de ce bus (enfin, en théorie!). En effet, c'est grâce à celui-ci que le processeur communique avec tous les autres composants. De ce fait, la bande passante de ce bus est la plus importante de tout le système (supérieure à 1 Go/s) Le bus mémoire Le bus mémoire permet le transfert de données entre le processeur et la mémoire vive (RAM). Ce bus doit donc être rapide (mais moins que le bus système), afin d'assurer les transferts le plus rapidement possible Le bus Entrée/Sortie Le bus Entrée/Sortie (bus PCI sur l image de la page précédente) permet aux différents périphériques (carte son, carte SCSI, carte réseau, etc...) de communiquer entre-eux. Les périphériques qui utilisent ce type de bus s'installent sur des connecteurs (ou slots) présents sur la carte mère et partagent tous la même bande passante. Remarque : actuellement, se pose un problème : la bande passante de chaque bus est différente. Cela est dû à l'évolution nécessaire et progressive des composants du PC, particulièrement du processeur. En effet, les composants des premiers ordinateurs (au début des années 1980) fonctionnaient tous à la même fréquence que le processeur. Mais, l'augmentation de la fréquence de celui-ci n'a pas pu être suivie par les autres composants et, de ce fait, nous constatons aujourd'hui des écarts entre les bus qui peuvent être très importants : alors que les processeurs atteignent des fréquences supérieures au GHz, le bus système reste lui compris entre 66 et 133 MHz. Ces écarts donnent alors naissance à des goulots d'étranglement qui sont susceptibles de brider les performances de l ordinateur. Nous verrons plus loin les solutions qui pourront y être apportées. Synthèse : Fonctionnement simplifié d un processeur Le processeur suit un enchaînement d opération ou de traitement. Ainsi, il commence simplement par attendre une instruction. Dès que celle-ci est demandée par le compilateur (programme effectuant la traduction entre un langage de programmation et le langage système), le processeur la met dans le cache. Puis il va chercher les données qu il doit utiliser. Enfin, il les stocke, puis les rappelle pour effectuer l opération demandée. Et une fois faite, il stocke le résultat et les données de départ si elles ont été modifiées. Ce cycle se répète à chaque opération. S il y a deux fois la même opération avec les mêmes variables, le processeur ira directement chercher le résultat dans le cache sans refaire le calcul d où un gain de temps. D où l intérêt de la mémoire cache. Chaque information, variable, peut provenir du bus système, bus mémoire ou du bus Entrée/Sortie. Le processeur utilise tous ces ensembles pour obtenir le résultat escompté. GOURIOU Yann-Louis ère Année

11 2.2 Architectures RISC et CISC Introduction Actuellement, on peut dénombrer deux types d architectures différentes. Ce sont les processeurs de types CISC et les processeurs de types RISC. Ils possèdent 2 types de jeux d instructions différents, que nous présenterons plus loin de la manière la plus objective possible. Au début des années 1970, il y eut une crise du logiciel, prédit par les analystes spécialisés de l époque. Cette crise met en avant la complexité grandissante de la programmation des logiciels, et de ce fait, une forte hausse de leur coût ce qui aurait des conséquences graves sur toute l industrie. Alors il vint l idée de transférer la complexité logicielle vers le matériel afin de soulager les programmeurs. Ce qui donna naissance à l architecture CISC avec un jeu d instructions important Les jeux d instructions Qu est ce qu une instruction? Une instruction peut être assimilée à une opérande autrement dit à chaque instruction correspond une opération précise. Un jeu d instructions comporte des opérations de bases, utilisées le plus couramment par le processeur. Le fait de les intégrer directement dans l architecture du processeur permet d augmenter ses performances, principalement par le biais de la mémoire cache que nous définirons d avantage en annexe. Les types d opérations correspondant aux instructions sont soit des opérations de base (mathématique) ou alors des opérations entre les registres interne du processeur mais encore des opérations de transfert entre la mémoire et les registres La solution à la crise A l époque tout était à refaire, autrement dit, à chaque évolution des calculateurs il convenait de reprendre tout à zéro les logiciels ainsi que les compilateurs. Pour y remédier des ingénieurs d IBM ont décidé qu il fallait mettre une couche intermédiaire entre le langage machine et celui du programmeur afin de faciliter le travail de celui-ci. Cette couche aurait pour but de créer un lien entre le processeur et les programmes. D où l invention de l architecture à jeux d instruction. Le but est clair, il faut faire travailler d avantage la machine pour soulager le travail des programmeurs et réduire les coûts. Mais à l époque, la technologie ne facilite pas la tache : la mémoire des ordinateurs est chère, la mémoire secondaire est lente (mémoire cache), les compilateurs sont plutôt médiocres. Cependant, grâce à l intégration progressive des jeux d instructions dans les processeurs de la fin des années 1970, les coûts de développement sont réduits, les temps de débogages aussi ce qui permet aux programmeurs de mieux finir leurs programmes et les compilateurs et donc d augmenter les performances d exécution. GOURIOU Yann-Louis ère Année

12 Les premières machines fonctionnant avec ce type d architecture n ont alors pas de noms. Il s agit de ce qui sera appelé plus tard l architecture CISC qui se base sur les travaux de Von Neumann de l université de Harvard Fonctionnement de l architecture CISC CISC est l abréviation de Complex Instruction Set Computer soit en français jeu d instructions informatique complexe. On entend aussi parler de X86 quand on désigne un processeur d architecture CISC. Le but dans l industrie informatique est d aller toujours plus vite et le plus simplement. C est dans cette optique que les ingénieurs de l époque en ont déduit qu il fallait augmenter les capacités des processeurs en augmentant le nombre de fonctions complexes précablées dans la puce. Ainsi les processeurs de type CISC seront conçus afin de délester le programmeur. Les jeux d instructions sont alors intégrés à la puce sous la forme de modules micro-programmés. Le jeu du CISC compte, de nos jours, environ 400 instructions. Ainsi en fonction des calculs à effectuer, c est le module qui va indiquer au processeur ce qu il doit faire. Celui-ci effectue ces traitements en mémoire pour aller chercher les données à traiter. Avec le temps, les processeurs intègrent de plus en plus de jeux d instruction pour pouvoir traiter toujours plus de données. Mais avec l augmentation de ces jeux d instructions de plus en plus complexes des bogues apparaissent dans les mêmes proportions. L architecture CISC était donc là pour palier au milieu des années 1970 au manque de transistors qui étaient intégrés dans les puces et qui bloquait l évolution des logiciels dans leur complexité et puissance. Mais tout à la fin des années 1970 de nouvelles découvertes sont faites par des chercheurs qui promettent de passer à une finesse de gravure des processeurs plus petite et donc plus de transistors sur la puce et plus de puissance calcul. C est ce qui va engendrer la naissance des processeurs RISC. Comme dit précédemment les processeurs évoluent pour donner des versions plus puissantes ce qui change la donne au niveau des jeux d instructions. Alors vint l idée d utiliser au maximum cette puissance. Comment? En faisant faire au processeur uniquement ce qu il sait faire le mieux. Les calculs les plus simples doivent être effectués le plus rapidement possible. C est une approche totalement opposée à celle de l architecture CISC qui était de transférer la complexité logiciel vers le processeur. Ici il s agit de la lui enlever au maximum pour en faire un processeur plus performant et de faire l opération inverse au niveau logiciel, c est à dire de renvoyer les fonctions complexes dans les logiciels. Si cela est possible au début des années 1980 c est grâce à la mémoire qui est beaucoup moins cher, les compilateurs qui faisaient défaut autrefois sont beaucoup plus élaborés et performants. Enfin les grandes universités spécialisées et IBM se sont rendus compte que les programmeurs utilisaient très peu au final les fonctions complexes. Donc le RISC va amener une simplification et une réduction des jeux d instruction pour les utiliser par groupes et plus rapidement grâce aux nouvelles performances des processeurs. GOURIOU Yann-Louis ère Année

13 2.2.4 Fonctionnement de l architecture RISC RISC est l abréviation de Reduced Instruction Set Computer soit en français jeu d instructions informatique réduit. C est le travail de trois ingénieurs en 1980 qui lance la philosophie du RISC : David Ditzel, Carlo Séquin et David Patterson. On a vu ci-dessus que le but est de simplifier au maximum les jeux d instructions. Pour preuve, le jeu RISC ne contient que 128 instructions par exemple pour un processeur de base, presque quatre fois moins que le CISC! Le but principal de cette architecture est de simplifier, mais aussi de faire en sorte que chaque instruction puisse être réalisée en un minimum de cycles. Pour ce faire les processeurs RISC ne travaillent pas autant que les processeurs CISC en mémoire vive : ils disposent de plus d éléments de stockage (de registres en mémoire cache) pour engranger les résultats de leurs calculs et pour les réutiliser le plus souvent possible. Cependant il faut quand même pouvoir traiter les opérations complexes. C est là qu interviennent les compilateurs car ils optimisent la charge de travail du processeur en lui permettant de traiter de gros calculs. Normalement dans l idéal chaque cycle est utilisé mais sur les processeurs CISC il y a de nombreux temps d attentes de données à cause des appels fréquents en mémoire (lent) ce qu élimine le processeur RISC grâce à ces registres plus importants. Toutes ces optimisations ont une conséquence évidente. Pour une fréquence égale, le processeur RISC traite un programme plus rapidement que le processeur CISC. Enfin comme il y a moins d instructions, le processeur à moins besoin de transistors et donc dissipe moins de chaleur ce qui facilite son intégration dans les machines. Et maintenant? L adoption du RISC a été bien lente dans l industrie informatique et il a fallu attendre l association de IBM, Motorola et Apple (fabricant d ordinateur non compatible MS-Windows) pour qu il y ait une réelle industrialisation et commercialisation à grande échelle de processeur de type RISC (les Power PC (MAC) en opposition au X86). Cependant l une ou l autre des architectures ont beaucoup évolué : la famille des Power PC à technologie RISC a pris de l embonpoint : on lui a rajouté des registres, des unités de calculs à virgule flottante ou super scalaires (Altivec sur Processeur Motorola G4) ou même la prévision des calculs. Quant au CISC, Intel et compatible ont surtout cherché à intégrer plus de transistors et maîtriser la consommation des processeurs qui fait défaut à la famille CISC. Aujourd hui ces deux architectures convergent : le RISC cherchant à garder une consommation basse de cycle par rapport au CISC tout en ajoutant des fonctions dévolues auparavant au CISC, alors que le CISC cherche à se rapprocher du fonctionnant très optimisé du RISC et diminuer la consommation d énergie. Contrairement à il y a 20 ans, la question que se posent les fabricants de processeurs n est plus «Que faut-il enlever au processeur pour augmenter ses performances?» mais plutôt «Que faut-il lui rajouter pour augmenter ses performances?» GOURIOU Yann-Louis ère Année

14 On peut dire que le CISC est presque un RISC et le RISC est presque un CISC. L avenir verra t-il la fabrication d un processeur qui émule ces deux architectures tout en tirant le meilleur des deux, comme se dirige Transmeta avec son processeur Crusoé typé RISC et qui fait fonctionner des logiciels programmés en CISC? Le Pipeline Avant de voir ce qu est un pipeline, il faut préciser comment les instructions sont prisent en compte par le processeur. 1 étape : l instruction à exécuter est transférée depuis la mémoire jusqu au registre d instruction. 2 étape : le processeur décode l instruction afin de l exécuter. 3 étape : exécution de l instruction. L idée générale du pipeline est de décomposer le traitement d une instruction en de multiples unités de traitement. Ainsi au lieu d avoir une grosse unité, on en obtient plusieurs. L intérêt : le processeur met plusieurs cycles à exécuter une instruction. En les décomposant, on arrive à faire en sorte qu une instruction soit exécutée en un cycle. Explication : l exécution met plusieurs cycles pour être exécutée (comme auparavant avec une seule unité), mais dès qu une unité de traitement (ou étage) a fini son travail, elle commence tout de suite à traiter l instruction suivante. Si l on prend un pipeline de quatre unités contiguës, l instruction devra passer par les quatre étages pour être exécutée. Ainsi dès qu une instruction passera dans le 2 ème étage, une autre instruction entrera dans le premier et ainsi de suite. De ce fait, à chaque cycle, une instruction est traitée, même si elle a pris plusieurs cycles pour être exécutée (dans notre exemple : quatre cycles). On obtient ainsi le principe de traitement à la chaîne. Cependant depuis 4 ou 5 ans les processeurs sont capables de traiter une instruction par cycle. Alors où est de nos jours l intérêt du pipeline? Ce qu il faut voir, c est qu en créant plusieurs étapes (ou étage), on a augmenté les distances entre les unités ce qui a pour défaut de prolonger le temps de propagation des signaux. Si la fréquence du processeur est trop élevée, les signaux mettront trop de temps pour se propager d une unité à l autre. Si le signal n a pas le temps d atteindre l unité suivante en un cycle, le processeur ne pourra plus fonctionner. Ce problème va devenir une solution à l augmentation des fréquences (car on diminue cette distance). Explication : en décomposant d avantage les unités de traitement, on diminue leur taille, donc il y en aura plus pour faire la même chose. Pourtant, on n augmente pas la vitesse de traitement. Mais comme pour les transistors, si les unités sont plus petites, elles chauffent moins et donc on peut les rapprocher, diminuant ainsi d autant le temps de propagation du signal. Alors on peut augmenter la fréquence. Finalement, en diminuant la distance, on peut augmenter la fréquence du processeur. GOURIOU Yann-Louis ère Année

15 2.3 Mesure de performances Voilà un des grands problèmes de l informatique : comment comparer des processeurs? Ce n est vraiment pas évident. En effet, il existe souvent de grandes différences entre les processeurs : l architecture, la taille de gravure, la mémoire cache, la bande passante etc. Ainsi volontairement, et à leur avantage au début, les fondeurs ont choisi de prendre la fréquence de fonctionnement du processeur pour montrer leur supériorité face aux concurrents. Mais si cela marche pendant un certain temps, mais depuis 1997, ce n est plus si évident. Ainsi, différencier par la fréquence les processeurs au sein d une même famille, est juste. Mais cela s arrête là. Maintenant il n y a plus que Intel qui joue encore sur ce tableau étant pour l instant le fondeur qui atteint les plus hautes fréquences. Mais il n en est pas de même pour AMD et le consortium IBM-APPLE-Motorola. Explication : d après Intel, le grand public doit utiliser la fréquence pour savoir quel processeur est le plus rapide. Si cela marche dans sa gamme cela devient totalement faux par rapport à AMD. Ainsi on sait maintenant qu un Pentium 4 à 2 GHz est plus lent que l Athlon XP cadencé à environ 1,7 GHz. Ce problème est encore plus grave avec le G4 de Motorola. Ainsi si l on regarde sa fréquence actuelle de 1 GHz, elle paraît ridicule face au Pentium 4. Cependant grâce à son architecture il atteint et dépasse même sur certaines applications les performances du Pentium 4. Mais face au martelage publicitaire d Intel difficile de faire comprendre cela au grand public. Pourtant AMD s y est attaqué en donnant tout simplement la fréquence du Pentium 4 comme référence de son processeur. Ainsi un Athlon XP correspond en puissance à un Pentium 4 1,8 GHz alors que cette Athlon XP est fréquencée à environ 1,53 Ghz. Cela n améliore pas grand chose car l acheteur peut se sentir trompé pensant acheter un processeur à 1.8 Ghz mais il ne sera pas floué au final, les Athlon XP étant très rapides face au Pentium 4. Mais nous n avons cité ici, comme étalon de comparaison, que la fréquence, il en existe une multitude d autres tel que le nombre de Giga flops calculé par seconde par le processeur, (utilisé par Apple pour montrer la supériorité du G4). GOURIOU Yann-Louis ère Année

16 Aucune de ces solutions n est parfaite et ne permet réellement de comparer les performances surtout que celles-ci dépendent également de l environnement avec lequel il est intégré comme le type de la RAM (SDRAM, DDRAM, RAMBUS ), la fréquence des bus,la taille et la vitesse des mémoires cache, Techniques de fabrication des microprocesseurs 3.1 Du silicium au microprocesseur La base de tout processeur est le silicium et plus particulièrement la silice ou sable d où est extrait le silicium. Un silicium pour électronique doit avoir un niveau d impureté inférieur à 2%. Le silicium constitue près de 28 % de l écorce terrestre. Environ 40 % des minéraux courant en contiennent. Le silicium est obtenu par réduction du dioxyde de silicium par le coke au four électrique. Il y a environ dans ce que l on pourra appeler du silicium de base entre 2 et 5 % d impuretés ce qui est trop pour l utiliser dans l électronique. Il va donc être purifié par un procédé complexe puis mis sous forme de Wafer (voir photo), une sorte de galette de très fine épaisseur coupée à partir un cylindre de silicium. Le diamètre du Wafer va dépendre de l utilisation à laquelle on le destine. A partir de ces galettes de silicium on va graver le processeur par le biais de la photolithographie (pour plus de détails, voir en annexe A) Les étapes On sensibilise le silicium à la lumière par le biais d une pellicule photosensible. Les circuits sont ensuite dessinés et marqués par une source lumineuse sur le silicium. On trempe la galette marquée dans un bain révélateur pour faire apparaître les circuits. Ces opérations sont répétées autant de fois qu il y a de couches constituant le processeur. Les couches sont testées une première fois (on vérifie qu il n y a pas de coupure dans les connexions uniquement) puis reliées et encapsulées dans un boîtier céramique ou autre. Nouvelles vérifications du processeur : connexions ainsi que son fonctionnement et certification de sa fréquence de fonctionnement par tests successifs dans une fourchette de fréquences prédéterminées. GOURIOU Yann-Louis ère Année

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18 3.2 Evolution des techniques de fabrication Taille des gravures On peut associer la course aux fréquences à la course à la gravure la plus fine. Elément primordial dans la fabrication d un processeur, c est elle qui va déterminer le nombre de transistors que l on pourra graver sur le silicium. Mais la finesse de gravure apporte aussi une autre amélioration non négligeable qui est le temps de propagation du signal entre chaque unité du processeur. Car une gravure plus fine permet de réduire les distances, les composants interne étant plus petits. Petit tableau récapitulatif de l évolution de la finesse de gravure pour le pentium : On peut voir que l évolution n est pas symétrique mais cela n est pas gênant. Il faut savoir que chaque transistor produit un champ électromagnétique. Ce champ est indésirable car il interfère dans le bon fonctionnement des transistors voisins s ils sont trop proches, ce qui serait catastrophique. C est pourquoi on est obligé de maintenir entre eux distance précise déterminée en laboratoire. La réduction de la taille des transistors permet également de réduire ce champ. Donc si les interconnexions étaient aussi petites que les transistors on ne pourrait pas pour autant les rapprocher d avantage à cause des interférences. Il vaut mieux des transistors plus petits que les interconnexions plutôt que l inverse. Aujourd hui on arrive à intégrer plus de 45 millions de transistors. Ce chiffre va encore augmenter car les fondeurs peuvent encore réduire la taille des transistors à base de silicium jusqu'à environ 0,03 microns et au moins 0,07 pour les interconnexions. En ce qui concerne les tensions d alimentation, elles tendent à diminuer avec le temps car les technologies comme le cuivre et le SOI (voir technologie de fabrication page 26) le permettent ainsi que la réduction des distances d interconnexions. En effet la tension va varier en fonction des pertes que subit le signal. Donc moins celui-ci perdra de son intensité moins il sera nécessaire d avoir une tension élevée. GOURIOU Yann-Louis ère Année

19 3.2.2 Evolution des performances L évolution des performances est le nerf de la guerre entre les différents acteurs du monde informatique. Car si l ordinateur existe c est pour pouvoir gagner du temps sur des processus. Et dans l industrie le temps c est de l argent. C est pourquoi les machines les plus rapides seront les plus vendues (ce n est pas toujours vrai car il y a d autres facteurs qui peuvent venir en compte). Dans l informatique il y a une loi qui dicte l évolution des performances des processeurs. Cette loi a été énoncée par Gordon Moore (d où le nom de Loi de Moore) sur un constat que celui-ci a fait autour des années Elle explique que tous les deux ans les processeurs doublent leur puissance de calcul. Jusqu à présent cette loi c est avérée plutôt juste, même si elle a été énoncée, il y a plus de 20 ans. Pour l instant les efforts effectués par les différents fondeur de puces ont permis une évolution très rapide. Cependant la course à la performance avec les technologies actuelles commence à trouver ses limites. Le transistor au silicium ne pourra pas évoluer indéfiniment. C est pourquoi la plupart des fondeurs réfléchissent à de nouvelles technologies (Voir technologie de fabrication page 26) Problèmes posés par ces évolutions Ces évolutions sont très rapides mais cependant elles se heurtent à des problèmes physiques ou tout simplement économiques. Economiquement, la création d un nouveau processeur coûte très cher car il y a non seulement le coût de développement de celui-ci qui s étale souvent sur plusieurs années mais il faut revoir bien souvent tout le processus industriel de fabrication de la puce. C est pourquoi à l échelle mondiale, il y a peu de fondeur de puces capable faire de gros investissements. Ils se comptent d ailleurs sur les doigts de la main si l on prend les plus gros que sont Intel, AMD, IBM, Motorola et VIA technologies. En dehors des considérations économiques, il y a des barrières physiques qui s opposent à ces évolutions. Notamment celle de l infiniment petit qui caractérise l évolution des transistors. Ainsi pour améliorer les performances d un processeur, il faut augmenter le nombre de transistors qu il contient et pour cela il faut toujours plus les miniaturiser. Mais une limite physique vient entacher le tableau : la dissipation thermique. GOURIOU Yann-Louis ère Année

20 Le fait d augmenter le nombre de transistors dans un processeur entraîne une augmentation de la consommation d énergie et un accroissement de l échauffement. Pour qu une intégration soit possible dans un PC sans que celui-ci ne devienne une fournaise et à fortiori plus encore dans les portables, il faut réduire au maximum cette dissipation. C est là qu intervient le talent des fondeurs. Celui d arriver au meilleur compromis puissance dissipation. Ce compromis est presque irréalisable et on voit aujourd hui un exemple net de cela entre AMD et INTEL. Ce dernier produit des processeurs qui chauffent moins que ceux d AMD mais ceux-ci à fréquence égale se trouve nettement en retrait au niveau des performances par rapport à AMD. (car AMD ce rapproche de la technologie RISC) Il y a aussi la résistance des conducteurs. Elle provient des liaisons entre les différents éléments du processeur. Ces liaisons sont faites principalement en aluminium et en cuivre pour les processeurs récents. Plus le métal utilisé conduit plus, celui-ci laissera passer le signal sans l altérer et sans chauffer. Mais pour l instant aucun conducteur n est parfait et même si le cuivre offre de meilleures performances que l aluminium, le signal perd toujours de la puissance et de l intensité à cause de la résistance et ce d autant plus que la fréquence est élevée. On peut pallier la perte d intensité en augmentant la tension d alimentation, mais on voit tout de suite que si le courant est plus grand on dissipe plus! La boucle est fermée mais le dilemme reste. Le conducteur parfait et applicable dans l environnement du grand public reste à trouver. Cependant des solutions se profilent (voir nouvelles technologies). Enfin on retrouve le pipeline. Car si on a vu que plus il contenait d unités de traitement ou étages plus on pouvait augmenter la fréquence, le nombre d étage ne peut pas augmenter indéfiniment et la limite se trouverait entre 20 et 24 étages. Le pentium 4 est le processeur qui en contient le plus (20 étages!) et qui a donc les fréquences les plus élever à comparer avec l Athlon (un peu plus de 15) et le G4 (7 étages à l heure actuelle). Ces deux derniers on une architecture assez proche à cause des différents accords entre Motorola-IBM et AMD et comparativement au P4 à fréquence égale, ils ont moins besoin d étages ce qui leur laisse une plus grosse marge de progression en fréquence. GOURIOU Yann-Louis ère Année

21 3.3 Encapsulation des microprocesseurs Les différents types de boîtier : Pour les PCs (Processeurs CISC): Les PCs (pour Personnal Computer soit : ordinateur personnel) ont vu une prolifération de boîtier en une vingtaine d années montrant ainsi la productivité dont ont fait preuve les fondeurs. Voici une liste non-exaustive des principaux formats. Chez tout les constructeurs : DIL (avant les 286) Socket 3 pour 386 Socket 4 pour 486 avec et sans fixation pour le radiateur. Socket 7 pour Pentium et équivalent avec fixation pour le radiateur ventilé. Chez Intel Socket 8 pour Pentium Pro uniquement (rare) Slot One secc 1 pour Pentium II et Céléron Slot One (fixation sur le dessus) Slot One secc 2 pour Pentium III (fixation par le radiateur) Socket 370 (ppga) pour Céléron ppga. Socket fcpga pour Céléron II, Pentium III S Socket 423 pour Pentium 4 Socket 478 pour Pentium 4 Exemple de Pentium IV Chez AMD Super socket 7 pour les K6, et K6 II. Slot A Pour Athlon (les premiers) Socket A Pour Athlon et Duron. GOURIOU Yann-Louis ère Année

22 On remarque que pour les PC, on a beaucoup de changement de format de boîtier. Voyons les avantages et les inconvéniants des différents boîtiers. Le Socket 3,4,7 : Suffisamment large pour dissiper par lui-même la chaleur du processeur ou aidé par un petit radiateur ventilé. Pas de place pour le cache L2 dans ce boîtier à l époque. Ne prend pas de place en hauteur. Type de fixation à force d insertion nulle (pour certains socket 4 et socket 7). Le Slot One ou A: Intégration du cache L2 dans le boîtier car celui-ci commence à dissiper beaucoup de chaleur. Montage très facile puisque c est une cartouche. Possibilité de monter de très gros radiateurs d une surface de 10 cm² Très bon pour monter des dispositifs tels que des Water-Blocs (refroidissement par eau) en cas d overclocage intense. Pose quelques problèmes de mauvais contacts avec le slot. Distance des pistes très grandes Symbole de puissance et de produit haute-gamme Exemple du Pentium III Slot One : Les Sockets 370, fcpga, 423, 478 Maintenant que la technologie le permet, le L2 tient dans un socket avec le processeur. Pistes très courtes. Surface réduite pour la dissipation de chaleur : des plaques de cuivre peuvent être ajoutées entre le radiateur et le processeur pour «pomper» la chaleur Même avantage que le socket 7 (sauf pour la dissipation de température) GOURIOU Yann-Louis ère Année

23 Pourquoi tant de supports différents dans les PC : Les supports ont changé de forme, pour éviter la casse (destruction thermique du matériel), mais aussi pour faire vendre du matériel carte mère, mémoire, boîtier) Exemple passage du pentium au pentium II : Apparition de l APM ACPI (arrêt et démarrage en soft de la machine) l alimentation change (plus de bouton 230V en façade) La carte mère passe au format ATX (souris, clavier, ports parallèle et séries sur la carte directement et parfois une carte son). Donc un changement radical de la forme du boîtier. La mémoire passe de EDO à SDRAM (PC66 et surtout PC100). Pour les Mac (ou processeurs RISC) : Apple le principal intégrateur de processeurs RISC à l échelle grand public n a pas vraiment suivi une logique de standardisation avec IBM et Motorola dans le format de ces processeurs ; c est pourquoi il est difficile de les lister car ils n ont pas de noms! Pendant longtemps les processeurs étaient soudés directement à la carte mère forçant les utilisateurs à racheter une machine complète à défaut de pouvoir faire évoluer le processeur. Cependant cette politique a évolué en 1997 avec l arrivée du processeur G3 dont le socket est le zif (littéralement traduit : à force d insertion nulle). Ce socket est un standard dans l industrie et permet de changer le processeur très facilement. Malheureusement celui-ci sera abandonné par Apple avec l avènement du G4 fin Celui-ci se trouvant sur une plaquette contenant le processeur, sa mémoire cache et l horloge. Cette plaquette étant maintenue par quatre vis a une hauteur d environ 5 mm parallèlement au-dessus de la carte mère, un connecteur faisant la liaison entre les deux. Apple ne s est pas expliqué sur l adoption de ce socket mais celui-ci permet tout de même le changement du processeur lorsque des mises à jours matérielles seront commercialisées par des vendeurs tiers. GOURIOU Yann-Louis ère Année

24 En résumé Quelles que soient les plate-formes, les boîtiers ont évolué en même temps que la demande au niveau du processeur (taille et forme). Ce changement sert souvent à accueillir de nouveaux types de processeurs qui demandent des surfaces de fixation améliorées pour pouvoir mettre de plus gros dissipateurs. Cependant les fabricants ont souvent joué avec ces modifications de boîtier pour forcer les utilisateurs à changer leur matériel. Si les fondeurs peuvent se permettre de jouer à ce jeu, c est qu ils savent qu il est de notoriété que les performances d une machine dépendent principalement du processeur. Pourtant en regardant bien c est souvent faux. L homogénéité des composants d une machine (autrement dit, on assemble des composants de même niveau de performance et pas seulement un processeur très rapide et le reste moyen et vice-versa) permet souvent d obtenir de meilleures performances qu une machine qui est équipée du dernier processeur mais de sousensembles de moins bon niveau. Mais cette notion reste difficilement compréhensible pour les particuliers souvent trompés par les fondeurs grâce à la publicité faite à leur avantage. Les processeurs augmentent de vitesse de façon très rapide et ce depuis maintenant une vingtaine d années. Ils ont pu se développer ainsi grâce aux possibilités d évolution permises par le silicium. Cependant dans 5 ans tout au plus celui-ci pourrait être à bout et ne plus être capable d accepter des transistors toujours plus rapides. C est pourquoi les fondeurs réfléchissent d ores et déjà à l avenir soit en développant des palliatifs aux défauts du silicium ou alors en développant de nouvelles technologies ce que nous allons voir dans le chapitre suivant. GOURIOU Yann-Louis ère Année

25 4. Quelle technologie future pour la fabrication des microprocesseurs? 4.1 Nouvelles architecture : Transmeta et son Crusoé. Transmetta est un nouveau constructeur de processeurs qui est apparu en L idée de ce fabriquant n est pas de concurrencer directement Intel et AMD mais plutôt de proposer une offre économique et peu consommatrice. Ces processeurs sont donc prévus pour une intégration dans les ordinateurs portables. Ces processeurs ont une conception de type RISC fonctionnant en 128 bits. Contrairement aux autres processeurs de ce type ils sont parfaitement compatibles avec les instructions X86. Pourquoi ne pas avoir fait un processeur CISC? Pour les avantages du RISC. Ainsi comme dit précédemment ils doivent consommer peu, être performants en étant très simplifiés, ce que permet le RISC plus que le CISC. Comment peuvent-ils être compatibles? Ils utilisent une partie matérielle comme AMD (dont les processeurs ont une architecture très proche du RISC) mais aussi la technologie maison dite de «morphing logiciel» (code morphing). Les instructions X86 utilisées par les logiciels sont traduites en langage 128 bits au cœur du Crusoé. Puis elles sont exécutées par le processeur. D après Transmeta la conversion permet d obtenir un code très dense et plus rapide. D après eux, 20 instructions X86 n en ferait plus que 10 une fois traduites. Les performances finales seraient équivalentes au Pentium III ce qui n est pas négligeable. Mais il faut savoir que ce type de processeur, grâce au code morphing, pourrait émuler d autres architectures. De plus, améliorer le processeur serait plus facile car une grande partie de sont fonctionnement repose sur le code morphing qui est logiciel et donc évolutif. Ce processeur offre en outre des capacités d adaptation de consommation d énergie en fonction du type d application en cours permettant de préserver au maximum la batterie. Et après Transmetta ouvre une nouvelle porte car pour la première fois un processeur est capable de faire fonctionner de façon rapide des logiciels d une architecture différente. Mais ce n est pas réellement un fait nouveau la plupart des fondeurs CISC s orientent vers une architecture RISC qui offre des avantages non négligeables. Ainsi la famille K7 d AMD est hybride et émule déjà en partie les instructions X86 alors qu Intel avec le Pentium 4 tend à prendre cette orientation. Il est possible que dans les années à venir les processeurs aient une architecture unie faite de CISC et de RISC capable de faire fonctionner les logiciels des deux architectures indifféremment. GOURIOU Yann-Louis ère Année

26 4.2 Nouvelles Technologies de fabrication Ils nous est difficile de développer correctement cette rubrique car la plupart du temps se sont des secrets de fabrications bien gardés. Cependant quelques-uns ont été dévoilés ou simplement annoncés, afin de mettre la pression sur les autres fondeurs De l aluminium au cuivre L année 1999 a vu apparaître une évolution importante dans la fabrication du processeur. L utilisation du cuivre. Il est de notoriété que le cuivre conduit mieux que l aluminium donc qui dit meilleure conductivité dit moins d effet joule, moins de perte dans le signal et donc tension plus faible. De gros avantage dans la course à la puissance! Alors pourquoi une intégration si tardive dans les petites puces? Tout simplement parce que c était compliqué. Les interconnexions sont posées directement sur le silicium. Il se produit donc des interactions entre ces deux matériaux et elles ont été très difficiles à maîtriser. Mais après de nombreuses années de recherche IBM a fini par y remédier. Ils intégrèrent alors les premiers cette technologie dans leur processeur fait avec Motorola, le G3. Avec cette technologie le G3 n avait pas besoin de ventilation et le radiateur était très petit même à plus de 500Mhz La technologie SOI d IBM : (silicium sur isolant) Toujours en vue d offrir de meilleurs processeurs après avoir permis l utilisation du cuivre, IBM a travaillé sur un autre défaut du processeur. Plus particulièrement sur le silicium. Le silicium est la base du processeur puisqu il en est l élément principal. Il sert d isolant sur lequel on va graver les transistors. Après un procédé chimique, les transistors seront rendus semi-conducteurs. Le silicium est, certes un isolant, mais il n est pas parfait. Ainsi il va engendrer quelques pertes de courant qui sont indésirables. Sans le SOI d IBM pour compenser les pertes, on augmente la tension pour compenser. Mais grâce au SOI on n est plus obligé d augmenter la tension car l isolation est améliorée. Ainsi en ajoutant un isolant supplémentaire on limite d avantage les pertes. Les avantages sont énormes, car cela permet soit d augmenter la fréquence tout en maintenant la tension ou alors de diminuer la tension pour fabriquer des processeurs à faible consommation. Le premier processeur à intégrer cette technologie est le G4 dans sa toute dernière version le 7455 qui fonctionne jusqu à 1GHz pour l instant. GOURIOU Yann-Louis ère Année