Cette page à pour but de présenter aux internautes les differentes étapes historiques qui ont contribuées à la crétion des processeurs modernes, et les types de processeurs, les machines quiles équipent ainsi que leur fonctionnement.
Historique
Les origines
L'électromécanique fut le premier pas important dans le sens du développement intensif de l'automatisation des taches. Mais le tube à vide électronique fut inventé en 1904 et permit la construction d'un élément indispensable à l'évolution des ordinateurs. Ces tubes virent rapidement leur fonction évoluer, tout d'abord utilisés comme amplificateur, en 1940 on les utilisa comme commutateurs, symboles du codage binaire. Ils permettaient de stocker une information sous la forme de 0 et de 1. Le terme de bug (insecte en anglais) provient des insectes qui attirés par la chaleur dégagée par ces énormes machines venaient se loger dans les relais et bloquaient les commutations et l'établissement des contacts électriques.
Les données étaient fournies à la machine en utilisant des cartes perforées, on les introduisait manuellement. Les différentes parties du système étaient connectées à l'aide de câbles électrique. Leur programmation était très fastidieuse: il fallait parfois plusieurs jours pour seulement quelques minutes de fonctionnement.
Du tube à vide électronique au transistor
Les premiers ordinateurs à tubes ont étés utilises par les militaires. L'ENIAC fut utilisé durant la seconde guerre mondiale pour des calculs balistiques, il multiplia les innovations, et quand sa construction fut terminée, les autorités trouvèrent d'autres usages aux ordinateurs. Mais avant l'ENIAC, deux machines nommées Colossus furent construites par les cryptanalystes anglais de Bletchley Park pour mettre à mal les messages chiffrés allemands (Enigma) pendant la deuxième guerre mondiale.
Les systèmes utilisant les tubes étaient volumineux, peu fiables et possédaient une faible puissance de calcul. En 1947 ces problèmes furent résolus, quand John Bardeen, Walter Brattain et William Shockleyemployés chez Bell inventèrent le transistor (ils reçurent plus tard le prix Nobel en 1956 pour cette invention). Le transistor a les mêmes fonctions que les tubes mais n'est constitué que d'un petit morceau de matériau semiconducteur comme le silicium ou le germanium de façon à agir en mode de commutation.
Les premières machines civiles répondant à un réel besoin furent utilisées dans les années 60 par les banques. En comparaison aux ordinateurs d'aujourd'hui, elles étaient énormes et occupaient la plus part du temps plusieurs salles. Les programmes étaient encore introduits à l'aide de cartes perforées et le stockage des données se faisait sur des bandes magnétiques bobinées (l'équivalent de nos disques durs actuels).
Création des puces
Texas Instruments fut l'un des pionniers dans l'avènement de la microélectronique, les processeurs découverts et mis en œuvre par les fondeurs permirent de graver plusieurs transistors sur un seul morceau de silicium en faisant appel aux techniques photo lithographiques. Par l'intermédiaire de pistes métalliques déposées sur le silicium, il devint ainsi possible de relier les transistors. Cette combinaison prit le nom de circuit intégré ou de puce de silicium. A partir de ce moment, la technologie eut pour seule ambition de placer le plus grand nombre de transistors sur la plus petite surface de silicium possible. On parlera alors de Very Large Scale Integration (VLSI). En 1971, le fabricant de circuits intégrés, Intel, créera le premier microprocesseur largement distribué, le 4004. Cette invention permit le développement des micro-ordinateurs et fut suivi de bien des améliorations:8006, 8080(1974), 8086(1978), 80186, 80286(1982), 80386(1985), 80486(1989), Pentium I (1993), II (1997), III (1999), IV (fin 2000).
1. Les 2 Grandes Familles de Processeurs
1.1. CISC : Complex Instruction Set Computer
L'architecture CISC, Complex Instruction Set Computer c'est-à-dire ordinateur avec jeu d'instructions complexe est l'architecture de départ pour les premiers processeurs de type x86 (Intel), mais AMD ou Cyrix se sont servis de cette architecture pour leurs processeurs également. Tous les processeurs qui utilisent l'architecture CISC traitent des instructions très complexes. Ces instructions sont directement câblées sur leurs circuits électroniques. Certaines instructions difficiles à traiter à partir des instructions de base sont directement imprimées sur le silicium de la puce afin de gagner en rapidité d'exécution sur ces commandes. Le principal inconvénient de ce type d'architecture provient justement du fait que des fonctions supplémentaires sont imprimées sur le silicium, d'où un coût plus élevé. Généralement les processeurs CISC nécessitent plusieurs coups d'horloge pour exécuter une instruction.
Le processeur 8086 de Intel est un CISC.
1.2. RISC : Reduced Instruction Set Computer
Contrairement à l'architecture CISC, un processeur utilisant la technologie RISC, Reduced Instruction Set Computer, dont la traduction est "ordinateur à jeu d'instructions réduit" n'a pas de fonctions supplémentaires câblées. Le faible nombre de formats d'instructions autoriseun décodage rapide et une anticipation des opérandes. Cela impose donc des programmes ayant des instructions simples interprétables par le processeur. Cela se traduit par une programmation plus difficile et un compilateur plus puissant. Les processeurs RISC disposent d' instructions de taille constante alignées en mémoire, ainsi que d'un grand nombre de registres basés sur une architecture de type load/store.
Le processeur Sparc de SUN et le 68000 de Motorola sont des RISC.
2. Quelques machines RISC du marché
2.1. MIPS versus Sparc
SPARC Technology Business est une division de Sun Microsystems, Inc. Cette architecture issue des travaux menés à l'Université de Berkeley entre 1984 et 1987 est basée sur les concepts RISC. Elle privilégie une architecture pipelinée, un jeu d'instructions simple accompagné d'un compilateur efficace. SPARC est un acronyme pour Scalable Processor ARChitecture. De même que MIPS ou DEC, Sun applique une politique commerciale ouverte. Les autres compagnies ont donc toute liberté pour développer leur propre implémentation de cette architecture. Cette stratégie contribue au développement d'une base logicielle importante et permet une évolution rapide de cette architecture. Pour la surveiller et en guider l'évolution, un comité, SPARC International, a été créé en 1989. Il regroupe l'ensemble des développeurs ou vendeurs souhaitant influer sur l'évolution du standard de cette architecture. On y retrouve en dehors de Sun, Fujitsu Ltd. et Texas Instruments, tous deux acteurs des développements de l'architecture SPARC. SPARC International garantit la compatibilité binaire entre les diverses évolutions de ce standard. Ce comité joue un rôle essentiel sur l'avenir de cette architecture puisqu'il est à l'origine des normes SPARC-V8 puis V9.
2.2. Les machines RISC de Sun
Actuellement, SME (Sun Micro Electronics) propose cinq types de processeurs différents : MicroSPARC, UltraSPARC I, UltraSPARC II, UltraSPARC IIi, et UltraSPARC III. Ces processeurs sont disponibles avec des fréquences de travail différentes. Les processeurs UltraSPARC sont cadencés à 167 ou 200 MHz (pour l'UltraSPARC I), 250, 300, 360, 400 ou 450 MHz (pour l'UltraSPARC II), et jusqu'à 480 MHz pour l'UltraSPARC IIi et 600 MHz (pour l'UltraSPARC III) qui a d'ailleurs une mémoire cache allant jusqu'à 16 Mo. Les processeurs UltraSPARC nécessitent absolument Solaris 2.3 ou supérieur. L'UltraSPARC a la particularité d'être un processeur 64 Bits RISC utilisant un bus PCI.
2.3. Les machines RISC de Digital
Digital utilise pour tous ses modèles actuels des processeurs de la famille Alpha. Ces processeurs RISC de 64 bits font partie des processeurs les plus performants actuellement proposés sur ce segment de marché.
2.4. Les machines RISC d'IBM
A l'origine, l'architecture POWER ( P erformance Optimization W ith E nhanced RISC) n'était disponible qu'en solution multi-chip. La production de tels systèmes restant plus onéreuse que celle des processeurs mono-chip, ils ne pouvaient sérieusement concurrencer les PC. IBM se mit alors à développer une première génération de produits monoprocesseur dont le coût de revient demeura là encore plus élevé que ceux des PC haut de gamme. Sur un marché jusqu'alors dominé par les ordinateurs de bureau basés sur les processeurs Intel, IBM a conclu un accord de coopération avec Motorola et Apple pour développer l'architecture PowerPC (POWER Performance Chip). Equipés de ce processeur 32 bits monopuce, ces nouveaux systèmes sont parfaitement armés pour affronter le marché et se frotter aux PC concurrents, même sur le front des prix. Les RS/6000 et leur architecture POWER2 constituent le haut de gamme de cette famille d'ordinateurs. Les performances de cette implémentation multi-chips de 32 bits sont excellentes. Grâce à la version POWER2 SC (Super Chip), IBM offre une possibilité d'intégration pour les architectures POWER2 sur un seul processeur.
3. Les Modèles
3.1. x86
Terme désignant tous les processeurs de la famille CISC Intel commençant au 8086 lancé en 1978, suivit l'année suivante du 8088. Le 8086 était basé au départ sur l'architecture du 8080, seulement les accès aux registres se faisaient maintenant en 16 bits au lieu des 8 bits initiaux. La quantité de mémoire que le 8086 pouvait adresser était toutefois limitée à 1 Mo, ce qui est très peu de nos jours mais était encore beaucoup à l'époque.
Le 8086 était composé de 29000 transistors. Le 8086et le 8088 pouvaient fonctionner à une vitesse d'environ8 MHz et furent les processeurs choisis par IBM pour leur premier ordinateur personnel.
En 1982, Intel sortait le 80286, communément appelé 286. Le 286 pouvait fonctionner à une fréquence allant jusqu'à 12 MHz et adresser une plus grande quantité de mémoire que le 8086, il pouvait adresser jusqu'à 16 Mégaoctets de RAM et permettre de plus l'utilisation de mémoire virtuelle.
Le 286 est un processeur 16 bits, il est composé de 134,000 transistors, il permet de faire fonctionner le tout premier Windows de Microsoft, le Windows 286.
Fin 1985, une nouvelle génération de processeurs Intel sortit sur le marché : le80386 processeur 32 bits en interne. Le premier modèle de 386 fut leDX, suivit par le SX en 1988. La différence entre SX et DX réside dans le bus de données, le SX étant équipé d'un bus de données de 16 bits alors que le DX en avait un de 32 bits, le 386 DX était donc plus performant mais c'était également lié à la présence d'un coprocesseur mathématique. Le 386 existe en différents modèles, la vitesse ayant été améliorée au cours des années, elle varie de 16 à 33 MHz. Le 386 peux adresser jusqu'à 16 Mo de mémoireet est composé de 275000 transistors. De plus, le 386 offre la possibilité d'adresser la mémoire en mode virtuel, ce mode permet de gérer des pages mémoires de 4 Ko situées soit en mémoire vive, soit sur un espace disque réservé. Il offre aussi la possibilité d'utiliser la mémoire cache intensivement.
En 1989, Intel introduisit une nouvelle génération de processeurs, les 80486. Encore une fois, les 486 furent divisés en deux catégories, le SX et le DX. La différence entre le DX et le SX est que le 486 DX contient le coprocesseur mathématique alors que le SX ne le contient pas comme pour le 386. Le 486 peut fonctionner à une vitesse allant de 33 à 100 Mégahertz(133 MHz pour AMD), il est composé de 1200000 transistors et son architecture est 32 bits. De plus, il peut adresser jusqu'à 4 Gigas de mémoire. Cyrix et AMD, deux autres compagnies fabricants des microprocesseurs, ont aussi sortis leurs chips 386 et 486, réutilisant le nom utilisé par Intel. La législation internationale ne permet pas de protéger un nom de produit composé uniquement de chiffres. C'est donc pour cette raison que la génération suivante de microprocesseurs Intel ne portait pas le nom de 586.Il s'appelaPentium.Pentium provient du grec Pente et du mot silicium. Le terme Pente signifie cinq en grec, Pentium signifiant donc microprocesseur de cinquième génération, 586. Le Pentium fut amené sur le marché en 1993, il est composé de3 300 000 transistors et sa mémoire adressable est de64 Gigas. Sa vitesse peut varier de 60 à 200 MHz. L'architecture des Pentiums est différente de celle des 486. Ce processeur est composé de deux Unités Arithmétiques et Logiques et donc est constitué de façon à pouvoir faire du traitement en parallèle. Le Pentium peut exécuter jusqu'à deux instructions par temps d'horloge.
La génération suivante de processeurs Intel reposa sur les Pentiums Pro. Ceux-ci pouvaient fonctionner à des vitesses variant de 150 à 200 MHz. La différence majeure entre le Pentium et le Pentium Pro est une innovation appelée exécution dynamique. Ceci signifie que le processeur détermine l'ordre des instructions permettant l'exécution la plus performante et ajuste l'ordre des instructions afin d'obtenir un niveau optimal d'exécution. Ceci permet donc d'optimiser le temps d'exécution des programmes. Les Pentiums Pro contiennent près de deux fois plus de transistors que le Pentium et peuvent exécuter jusqu'à trois instructions par temps d'horloge.
En 1997, Intel sortit le Pentium MMX, ce n'était qu'un Pentium normal avec un peu plus de mémoire cache de niveau I et des instructions multimédia précablées dans le CPU afin de rendre plus rapide les futures applications dédiées.
Quelques mois plus tard, Intel sortit le Pentium II, Processeur de sixième génération tout comme le Pentium pro. Le PII fut accompagné d'une nouvelle architecture : AGP pour la vidéo, Slot One pour le processeur et DIB (mémoire cache en direct avec le CPU)
En1998, Intel sortit leCéléron, qui n'est qu'en fait qu'un Pentium II (PII) allégé principalement au niveau des caches.
En1999, Intel créa le Pentium III, qui comme le Pentium MMX en son temps était plus une évolution marketing qu'une révolution technique. Toutefois il contenait des systèmes d'optimisation des prédictions de branchements très intéressants, qui avaient pour effet d'améliorer la vitesse d'exécution des programmes.
En 2000, le Pentium IVarriva sur le marché, l'architecture de la puce a soit disant été conçue pour optimiser les applications dédiées à Internet, notamment dans le domaine des jeux (imagerie 3 D), du multimédia (audiovisuel) ou du commerce électronique. Dénommée NetBurst, cette architecture permet à la puce de traiter les informations plus rapidement que sur le Pentium III en élargissant le bus du système. Or, l'augmentation du débit des données entraîne souvent un engorgement. La principale innovation réalisée par Intel a consisté à accroître la taille de ce canal en même temps qu'a été accrue la fréquence de l'horloge, c'est-à-dire la vitesse de traitement des données.
3.2. Le 68000
Le 68000 est un processeur de chez Motorola crée en 1979, Motorola nomma son processeur ainsi car il contenait 68000 composants. Au départ, la société fut retenue, pour équiper le Personal Computer d'IBM mais par la suite le choix s'orienta vers Intel. Ce processeur fût intégré en autres au TRS-80 Model 16,Atari série ST, Commodore Amiga1000 et 500,2000 et CDTV, ainsi qu'à des Station Apollo et Silicon Graphics. On le retrouve bien sûr dans le Lisa puis le Macintosh d'Apple. Quelques cartes dotées du 68000 furent construites pour l'Apple II mais elles n'eurent pas beaucoup de succès.
3.3. Power PC
Apple introduit en 1994le premier Macintosh à base de processeur PowerPC. Ce nouveau processeur (PPC 601) est fabriqué par Motorola et IBM. Il s'agit d'un processeur a architecture RISC 32 bits qui doit permettre de dépasser les performances des processeurs 68000 en fin de carrière.
Mais MacOS ne tirera pas complètement profit du PowerPC au début car ce processeur n'était pas compatible avec la famille des processeurs 68000, Apple à alors inclus dans MacOS une émulateur 68000 afin de maintenir une parfaite compatibilité du système et des applications. Mission réussie, jamais un tel changement ne sera passé aussi inaperçu et les nouveaux logiciels écrits pour PowerPC peuvent désormais exploiter pleinement la puissance du RISC.
Une grande partie du système utilisait encore le jeu 68000 jusqu'à l'arrivée de MacOS 8 ce qui mettait un certain frein à la puissance du PowerPC. L'arrivée conjointe de MacOS 8 et du PowerPC 750 (G3) fera faire un bond important au Macintosh.
La nouvelle mouture du PowerPC, le PowerPC 7400 se nomme le G4. Ce processeur a aussi une architectureRISC 32 bits et peut bénéficier d'un cache pouvant aller jusqu'à 2Mo, il bénéficie de l'adjonction de Altivec (Velocity Engine) qui apporte le soutien d'un processeur spécialisé 128 bits. Il est amusant de noter que ce processeur fût interdit de vente dans les pays classés terroristes par les états unis d'Amérique. En effet la puissance de cette puce égale la puissance des premiers supercalculateurs comme le Cray I qui ont servis à mettre au point la bombe atomique.
La technologie Altivec (nommé "Velocity Engine" par Apple), largement supportée par les logiciels apporta un gain de puissance phénoménale. Toutefois sont adoption reste sujette à caution. En effet les processeurs IBM ne comporteront pas de module Altivec; IBM ayant choisit de développer plutôt l'aspect vitesse du processeur (augmentation de la fréquence) avec le développement d'une technologie de gravure ultra dense. Altivec est conçut par Motorolapour fournit une aide au processeur G4 pour les calculs intensifs et la multimédia. Altivec est plus un processeur à part entière qui serait inclus dans le même boîtier que le G4. Altivec est parfaitement intégré au coeur du G4, et se montre beaucoup plus performant que les instructions MMX des Pentium de Intel.
Le PowerPC G5, possède une architecture RISC 64 bits, une intégration du cache de niveau 2 (L2) et l'ajout d'un cache L3. Mais l'on ne sait pas encore grand-chose de ce processeur présenté à la mi-août 2003.
Conclusion
A l'heure actuelle, Intel et AMD tiennent le haut du marché du processeur pour PC. Alors que la sortie du nouveau processeur 64 bits d'IBM pour Apple (le G5) est récente, les ordinateurs « classiques » restent sur une architecture 32 bits. Intel continue sa course vers la fréquence la plus élevée en sortant son Pentium IV 3,2 GHz, AMD suit toujours sa politique tarifaire avec ses processeurs Athlon MP + (dernier en date : Athlon MP 2800+). L'utilisateur a donc un large panel de choix pour son processeur.
Toutefois la tendance actuelle est le changement radical de l'architecture du processeur, comme le Centrino ou l'Itanium d'Intel. Le Centrino, certes moins puissant sur le papier, est néanmoins plus performant qu'un Pentium IV à fréquences égales, et permet en particulier aux ordinateurs portables d'avoir une meilleures autonomie. En conclusion il y a fort à parier que les plus belles évolutions dans le futur seront liées à la volonté des constructeurs de respecter la loi de Moore.
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