Tout savoir sur le matériel informatique

Tout savoir sur le matériel informatique Thème de l exposé : Les Processeurs Date : 05 Novembre 2010 Orateurs : Hugo VIAL-JAIME Jérémy RAMBAUD

Sommaire : 1. Introduction... 3 2. Historique... 4 3. Relation avec les autres composants... 5 4. Composition et fonctionnement interne... 6 4.1 Composition du processeur...6 4.2 Fonctionnement...6 4.2.1 Cycle d'horloge...6 4.2.2 Cycle d'exécution d'instruction...6 4.3 Pipeline...7 5. 64 bits, fréquence et multithread... 8 5.1 32 et 64 bits...8 5.2 Les Fréquences...8 5.3 Multithread ( Multitâche )...8 6. Nouvelles technologies et limites de puissance... 8 7. Conclusion... 9 Les Processeurs [VIAL-JAIME et RAMBAUD] Page 2

1. Introduction Cœur du système, le processeur est le circuit réalisant tous les calculs et opérations logiques du système. Son histoire, passée et à venir, ainsi que le rôle qu'il occupe dans un ordinateur seront nos objets d'études. Nous commencerons donc par une bref présentation de l'évolution du processeur, de sa création à nos jours. Les Processeurs [VIAL-JAIME et RAMBAUD] Page 3

2. Historique Le premier processeur voit le jour en 1969 sous le nom d' Intel 4004 par Marcian Hoff et Frederico Faggin. Composé de seulement 2300 transistors pour une fréquence de 108 Khz, il n'est à l'époque uniquement utilisé pour les calculatrices lorsqu'il est commercialisé en Novembre 1971. La réussite commerciale de par la révolution informatique dont il est la source entraîne une forte et immédiate demande de la part de tous les constructeurs du secteur micro-électronique. C'est en 1981 qu'apparaît le premier ordinateur personnel -fabriqué par IBM- équipée d'un processeur du nom de 8086, et, un an plus tard, le premier concurrent ; AMD. La loi de Moore datant de 1975 stipule que la puissance des processeurs doit doubler tous les deux ans, ce qui resta valable la restriction physique de la taille minimum de gravure, ce qui donnera naissance aux premiers processeurs multicoeurs. Évolution des différentes capacités Date Nom Nombre de transistors Finesse de gravure (µm) Fréquence de l'horloge 1971 4004 2 300 108 khz 1974 8080 6 000 6 2 MHz 1978 8086 29 000 3 4,77 MHz Largeur des données 4 bits/4 8 bits/8 bits bus 16 bits/20 MIPS 0,64 0,33 Particularités Premier processeur Premier processeur 16 bits ( 1 Mio ) 1982 80286 134 000 1,5 6 à 16 MHz (20 MHz 16 bits/16 chez AMD) 1 1985 80386 275 000 1,5 16 à 40 MHz 32 bits/32 5 Premier 32 bits 1989 80486 1 200 000 1 16 à 100 MHz 32 bits/32 20 Premier pipeline 1993 Pentium 3 100 000 0,8 à 0,28 60 à 233 MHz 32 bits/64 100 2 pipelines 1997 Pentium II 7 500 000 0,35 à 32 bits/64 233 à 450 MHz 0,25 300 1999 Pentium III 9 500 000 0,25 à 32 bits/64 450 à 1 400 MHz 0,13 510 2001 POWER 4 0,18 à 32 bits/ 64 Premier double 42 000 000 1,3 à 3,8 GHz 1 700 ( IBM ) 0,065 coeur 2004 Pentium 4D 0,09 à 32 bits/64 125 000 000 2.66 à 3,6 GHz «Prescott» 0,065 9 000 2006 Core 2 Duo 291 000 000 0,065 2,4 GHz (E6600) 64 bits/64 Premier double 22 000 coeur d'intel 2007 Core 2 Quad 2*291 000 64 bits/64 2*22 000 0,065 3 GHz (Q6850) 000 (?) 2008 Core 2 Duo 410 000 000 0,045 3,33 GHz (E8600) 64 bits/64 ~24 200 Les Processeurs [VIAL-JAIME et RAMBAUD] Page 4

(Penryn) Core 2 Quad 2*410 000 00 2008 0,045 3,2 GHz (QX9770) (Penryn) 0 2008 2009 2010 Intel Core i7 (Nehalem) Intel Core i5/i7 (Lynnfield) Intel Core i7 (Gulftown) 731 000 000 774 000 000 0,045 (2008) 0,032 (2009) 0,045 (2009) 1 170 000 000 0,032 2,66 GHz (Core i7 920) 3,33 GHz (Core i7 Ext. Ed. 975) 2,66 GHz (Core i5 750) 2,93 GHz (Core i7 870) 3,33 GHz (Core i7 980X) 64 bits/64 ~2*24 20 0 64 bits/64 64 bits/64 64 bits/64? 76383 147600 3. Relation avec les autres composants d'un PC Comme tout composant d'un système informatique, le processeur doit avoir des relations avec les autres composants. Il emprunte pour cela divers broches que l'on nomme «Bus» constitué de multiples fils : Bus de contrôle : Il véhicule des signaux binaires pour synchroniser les actions des autres composants reliés au processeur. Bus de données : Il transfert les instructions et les données entre processeur et mémoires. Bus d'adresse : Véhicule les adresses et données d'une instruction en cours d'exécution. Stockage mémoire : Espace mémoire servant d'intermédiaire entre la mémoire vive ( RAM ) et le processeur. Elle reçoit des demandes de données de la part du processeur, les transmets de la mémoire vive au processeur, et inversement. Le schéma suivant présente un récapitulatif : Les Processeurs [VIAL-JAIME et RAMBAUD] Page 5

4. Composition et fonctionnement interne ( partie principale ) 4.1 Composition du processeur - ALU : Unité Arithmétique Logique ; réalise les 3 opérations logiques And, Or et Not. - CU : Unité de Contrôle : Coordonne le séquencement des étapes des instructions machines ( Fetch, Decode, Fetch Operands, Execute et le stockage des résultats ) - Horloge : Synchronise les opérations en utilisant le bus de contrôle ( actuellement environ 3.33 Ghz ) - Registres : Emplacement de mémoire à très haute vitesse incluse dans le processeur lui même ; cela permet de stocker les données nécessaires à l'exécution des instructions. 4.2 Fonctionnement 4.2.1 Cycle d'horloge : C'est l'unité de temps minimum nécessaire à une instruction machine ( addition, accès à une valeur en mémoire... ). Sur le schéma suivant, c'est le délai entre le passage de 1 à 0. élémentaires, au nombre de 5 : 4.2.2 Cycle d'exécution d'instruction : Les différentes d'opérations élémentaires nécessaires à l'exécution d'une instruction machine. Le processeur doit ainsi appliquer ces opérations Fetch ( Recherche ) : C'est l'unité de contrôle ( CU ), qui recherche la prochaine instruction à exécuter. Decode : Détermine le type d'instruction à exécuter ( addition, AND, OR... ) et envoie à l'alu le type de l'instruction et les deux opérandes: Execute : L'ALU envoie la donnée résultantes vers l'opérande de sortie et met à jour le registre de statut. Lorsque l'instruction fait appel à la mémoire, deux autres opérations élémentaires apparaissent : Fetch operands Stockage de l'opérande résultante Les Processeurs [VIAL-JAIME et RAMBAUD] Page 6

4.3 Pipeline : Comme vu précédemment, chaque étape d'exécution demande au moins un cycle d'horloge : Sans pipeline ( comportant 6 étapes ) : Une nouvelle instruction ne pourra donc démarrer qu'une fois que toutes les étapes de l'instruction précédentes soient terminées. Avec le système dit du «pipeline», une nouvelle instruction peut commencer dès le second cycle d'horloge. Pendant ce temps, c'est la seconde étape de la première instruction qui est exécutée, engendrant un gain de temps évident ( dans cet exemple, le nombre de cycle nécessaire est réduit à 7 au lieu de 12 ). Les Processeurs [VIAL-JAIME et RAMBAUD] Page 7

5. 64 bits, Fréquence et Multithread : 5.1 32 et 64 bits Le premier processeur de type 64 bits date de 1991 sous le nom d' Alpha. La taille des registres passent de 32 à 64 bits, ce qui permet de stocker des valeurs plus importantes ( 2^64 ), c'est à dire contenir des adresses plus grandes et ainsi de pouvoir adresser un espace beaucoup plus important en terme de mémoire. Du point de vue matériel, les bus du processeur seront forcements composés de 64 broches à la place de 32. Cependant, dans l'utilisation actuelle, ce procédé n'est pas forcément très intéressant car le système d'exploitation doit pouvoir gérer les processeurs 64 bits et malgré l'augmentation de vitesse qu'il peut apporter, il ne fournit en fait que peu de gains de performance car les logiciels adaptés à ce type de processeurs restent rares. 5.2 Les Fréquences Une fréquence est mesuré en Hertz : Un Hertz (Hz) défini la cadence du processeur, un hz correspondant à une pulsation par seconde. Un Ghz représente donc un milliard ( 10^9 ) pulsations/s. Au jour d'aujourd'hui, les processeurs tournent en moyenne à 3.3 Ghz. Toutes ces données sont observables à partir de l'os : <inserer capture écran> 5.3 Multithread ( Multitâche ) Ce nom est attribué à un système d'exploitation lorsque plusieurs tâches peuvent être exécutées simultanément. Pour réaliser cela, les applications sont constituées en «séquences d'instructions» - les threads et qui sont traitées une après l'autre, soit séquentiellement, soit selon un ordre de priorité. On appelle planificateur le programme inclus dans l'os qui gèrent ces propriétés. Cela permet de donner l'apparence que plusieurs processus fonctionnent dans un même temps. Les Processeurs [VIAL-JAIME et RAMBAUD] Page 8

6. Nouvelles technologies et limitations de puissance Les processeurs, comme chaque composé électronique, dégagent de la chaleur. Ceci est particulièrement vrai pour les processeurs actuels, très puissants mais gourmands en énergie. On utilise actuellement soit la technique du ventirade, soit un système de watercooling. On ajoutera à cela la limite de taille de gravure, comme vu précédemment. Pour répondre à ces problèmes, les multicoeurs ont fait leur apparition. Cependant, le problème central persiste et de nouvelles technologies, bien qu'à l'heure actuel reste expérimentales, commencent à apparaître : La plus célèbre étant celle des ordinateurs quantiques, dont le premier processeur nommé Orion a fait son apparition en 2007. Ce processeur «font (...) appel à des matériaux super conducteurs et des champs magnétiques pour organiser les Qubits.(...)Orion est capable d exécuter 64 000 calculs simultanément.» Les processeurs quantiques, bien qu'encore difficiles à maîtriser, représentent un véritable enjeu technologique et annoncent une révolution à venir dans le fonctionnement de tout ordinateur, car fonctionnant non plus en bits mais en Qubit. La différence est fondamentale, schématisée simplement par le schéma suivant : 1 bit 1 Pbit ( à la fois 0 et 1 ) 1 Qubit, un état multidimensionnel «En gros, le qbit peut être à la fois dans l'état 0 et l'état 1. Un peu plus concrétement, avec 4 bits, un ordinateur classique peut traiter un état parmi 24 soit 16 états différents : 0000, 0001, 0010, 0011, etc. Dans un ordinateur quantique, les quatre qbits pourraient être dans une supersposition de tous ces états. Dans cette situation, l'avantage de l'ordinateur quantique est de pouvoir traiter simultanément les 16 états.» 7. Conclusion : Nous avons ensemble découvert un aperçu de l'histoire du microprocesseur et de son fonctionnement interne, ainsi que son évolution technologique impressionnante auquel il a fait appel au fil du temps. Une certitude ressort de cette analyse ; Les processeurs, cerveaux et centre nerveux de l'ordinateur, sont encore jeunes et loin de nous avoir démontré toutes leurs capacités, à l'image de tout l'univers informatique... Les Processeurs [VIAL-JAIME et RAMBAUD] Page 9

Sources : Tableau processeur : Modifié à partir du document trouvé sur http://fr.wikipedia.org/wiki/microprocesseur Citation Orion : http://www.presence-pc.com/actualite/d-wave-orion-21814/ Schéma et citation bit/qubit : http://www.futura-sciences.com/fr/doc/t/physique/d/lordinateurquantique_552/c3/221/p3/ Image multithread : http://zone.ni.com/devzone/cda/tut/p/id/6861 Autres schémas : Nom du boukin Les Processeurs [VIAL-JAIME et RAMBAUD] Page 10