Le processeur (CPU, ou unité centrale de traitement) est le cerveau de l’ordinateur. Il s’occupe de l’attribution et du traitement des tâches et gère les fonctions opérationnelles que tous les types d’ordinateurs utilisent.

Les types de CPU sont désignés en fonction du type de puce qu’ils utilisent pour traiter les données. Il existe une grande variété de processeurs et de microprocesseurs sur le marché, et le développement de processeurs toujours plus puissants continue. La puissance de traitement fournie par les CPU permet aux ordinateurs d’exécuter des activités multitâches. Avant d’aborder les types de processeurs disponibles, clarifions certains termes de base essentiels pour comprendre la distinction entre les différents types de processeurs.

Le CPU comporte de nombreux composants, mais les aspects suivants sont particulièrement importants pour son fonctionnement et notre compréhension de celui-ci :

• Cache : Les caches de mémoire sont indispensables pour la récupération d’informations. Il s’agit de zones de stockage dont l’emplacement permet aux utilisateurs d’accéder rapidement aux données récemment utilisées. Les caches stockent les données dans des zones de mémoire intégrées à la puce du processeur du CPU afin d’atteindre des vitesses de récupération des données encore plus rapides que la mémoire vive (RAM). Ils peuvent être créés via développement logiciel ou dans des composants matériels.

• Vitesse d’horloge : tous les ordinateurs sont équipés d’une horloge interne qui régule la vitesse et la fréquence des opérations informatiques. Elle gère les circuits du CPU par la transmission d’impulsions électriques. La vitesse de transmission de ces impulsions est appelée vitesse d’horloge, mesurée en Hertz (Hz) ou en mégahertz (MHz). Traditionnellement, la vitesse de traitement est augmentée en réglant l’horloge à une vitesse supérieure à la normale.

• Cœur : Les cœurs jouent le rôle de processeur à l’intérieur du processeur. Les cœurs sont des unités de traitement qui lisent et exécutent diverses instructions de programme. Les processeurs sont classés en fonction du nombre de cœurs qu’ils intègrent. Les processeurs multicœurs peuvent traiter les instructions beaucoup plus rapidement que les processeurs monocœurs. (Remarque : Le terme « Intel Core » est utilisé dans le commerce pour désigner la gamme de produits Intel de CPU multicœurs.)

• Threads : les threads sont les séquences les plus courtes d’instructions programmables que le planificateur d’un système d’exploitation peut gérer indépendamment et envoyer au CPU pour qu’il les traite. Grâce au multithreading (utilisation simultanée de plusieurs threads), différents processus informatiques peuvent être exécutés simultanément. L’hyper-threading est le terme propriétaire d’Intel de multithreading pour la parallélisation des calculs.

Autres composants du CPU

Outre les composants ci-dessus, les CPU modernes possèdent généralement les éléments suivants :

• Unité arithmétique/logique (ALU) : elle exécute toutes les opérations arithmétiques et logiques, y compris les équations mathématiques et les comparaisons logiques. Les deux types sont liés à des actions informatiques spécifiques.
• Bus : Il assure le transfert et le flux de données entre les composants d’un système informatique.
• Unité de contrôle : Elle contient des circuits intensifs qui dirigent le système informatique en émettant un système d’impulsions électriques, et demande au système d’exécuter des instructions informatiques de haut niveau.
• Registre d’instructions et pointeur : ils affichent l’emplacement du prochain jeu d’instructions qui doit être exécuté par le processeur.
• Unité de mémoire : elle gère l’utilisation de la mémoire et le flux de données entre la mémoire vive et le CPU. En outre, elle supervise la gestion de la mémoire cache.
• Registres : ils fournissent une mémoire permanente intégrée pour des besoins de données constants et répétés qui doivent être traités régulièrement et immédiatement.

Les CPU utilisent un type de cycle de commande répété administré par l’unité de contrôle en association avec l’horloge de l’ordinateur, qui fournit une assistance à la synchronisation.

Le travail effectué par un CPU se déroule selon un cycle établi (appelé cycle d’instructions du processeur). Ce cycle d’instructions désigne un certain nombre de répétitions, et c’est le nombre de fois que les instructions informatiques de base seront répétées, comme le permet la puissance de traitement d’un ordinateur.

Les trois instructions de calcul de base sont les suivantes :

• Récupérations : elles se produisent à chaque fois que les données sont extraites de la mémoire.
• Décodage : le décodeur intégré au CPU traduit les instructions binaires en signaux électriques qui interagissent avec d’autres parties du CPU.
• Exécution : l’exécution se produit lorsque les ordinateurs interprètent et exécutent l’ensemble des instructions d’un programme informatique.

Les tentatives initiales visant à accélérer la vitesse de traitement ont conduit certains propriétaires d’ordinateurs à renoncer aux étapes habituelles de la création de performances à grande vitesse, qui exigent normalement l’application d’un plus grand nombre de noyaux de mémoire. Au lieu de cela, ces utilisateurs règlent l’horloge de l’ordinateur pour qu’elle tourne plus vite sur leurs appareils. Le processus d’« overclocking » est comparable au « jailbreaking » des smartphones, qui permet d’en modifier les performances. Malheureusement, comme le jailbreaking des smartphones, ce type de manipulation est potentiellement nuisible à l’appareil et est vivement déconseillé par les fabricants d’ordinateurs.

Les CPU sont définis par le processeur ou le microprocesseur qui les pilote :

• Processeur monocœur : un processeur monocœur est un microprocesseur doté d’un seul processeur sur sa matrice (le matériau à base de silicium sur lequel les puces et les microprocesseurs sont fixés). Ces processeurs sont généralement plus lents que les processeurs multicœurs, fonctionnent sur un seul thread et n’exécutent la séquence d’instructions que l’une après l’autre. Ils sont mieux adaptés à l’informatique générale.
• Processeur multicœur : Un processeur multicœur est divisé en deux sections d’activité ou plus, chaque cœur exécutant les instructions comme s’il s’agissait d’ordinateurs complètement distincts, même si techniquement les sections se trouvent sur la même puce. Pour de nombreux programmes informatiques, un processeur multicœur fournit une puissance hautes performances supérieure.
• Processeur intégré : un processeur intégré est un microprocesseur conçu expressément pour être utilisé dans des systèmes embarqués. Ces derniers sont petits et visent à consommer moins d’énergie et à être contenus dans le processeur pour un accès immédiat aux données. Les microprocesseurs et les microcontrôleurs sont des exemples de processeurs embarqués.
• Processeur double cœur : un processeur double cœur est un processeur multicœur contenant deux microprocesseurs qui agissent indépendamment l’un de l’autre.
• Processeur quadricœur : un processeur quadricœur est un processeur multicœur doté de quatre microprocesseurs qui fonctionnent indépendamment les uns des autres.
• Processeur octocœur : un processeur octocœur est un processeur multicœur doté de huit microprocesseurs fonctionnant indépendamment les uns des autres.
• Processeur décacœur : Un processeur décacœur est un circuit intégré qui comporte 10 cœurs par die ou par package.

Bien que plusieurs entreprises fabriquent des produits ou développent des logiciels pour les processeurs, ce nombre s’est réduit à quelques acteurs majeurs au cours des dernières années.

Les deux principales entreprises de ce marché sont Intel et AMD (Advanced Micro Devices). Chacune utilise un type d’architecture de jeu d’instructions (ISA) différent. Les processeurs Intel utilisent une architecture d’ordinateur à jeu d’instructions complexe (CISC). Les processeurs AMD s’appuient sur une architecture d’ordinateur à jeu d’instructions réduit (RISC).

• Intel : la société commercialise des processeurs et des microprocesseurs par le biais de quatre lignes de produits. Intel Core est sa ligne haut de gamme. Les processeurs Xeon d’Intel sont destinés aux bureaux et aux entreprises. Les gammes Celeron et Pentium d’Intel sont considérées comme plus lentes et moins puissantes que la gamme Core.

• AMD (Advanced Micro Devices) : AMD commercialise des processeurs et des microprocesseurs sous la forme de deux types de produits : les CPU et les APU (unités de calcul accéléré). Les APU sont des CPU équipés de cœurs graphiques Radeon propriétaires. Les processeurs Ryzen d’AMD sont des microprocesseurs à haute vitesse et à haute performance destinés au marché des jeux vidéo. Les processeurs Athlon étaient auparavant considérés comme la ligne haut de gamme d’AMD, mais cette dernière les utilise désormais comme alternative informatique de base.

• Arm : bien qu’Arm ne fabrique pas d’équipement, elle loue ses conceptions de processeurs haut de gamme et/ou d’autres technologies propriétaires à d’autres entreprises qui les produisent. Apple, par exemple, n’utilise plus de puces Intel dans les processeurs Mac, mais fabrique ses propres processeurs personnalisés fondés sur les conceptions d’Arm. D’autres entreprises leur emboîtent le pas.

Processeurs graphiques (GPU)

Bien que le terme « processeur graphique » comprenne le mot « graphique », cette expression ne reflète pas vraiment la nature des GPU, à savoir la vitesse. Dans ce cas, c’est l’augmentation de la vitesse qui est à l’origine de l’accélération des graphiques informatiques.

Le GPU est un type de circuit électronique avec des applications immédiates pour les PC, les smartphones et les consoles de jeux vidéo, ce pour quoi ils étaient prévus à l’origine. Désormais, les GPU sont également utilisés dans des applications qui n’ont rien à voir avec l’accélération graphique, comme le minage de cryptomonnaies et l’entraînement de réseaux neuronaux.

Microprocesseurs

La quête de la miniaturisation des ordinateurs s’est poursuivie jusqu’à ce que l’informatique crée un processeur si petit qu’il peut être contenu dans une petite puce de circuit intégré, le microprocesseur. Les microprocesseurs sont caractérisés par le nombre de cœurs qu’ils prennent en charge.

Un cœur de processeur est « un cerveau dans le cerveau », qui sert d’unité de traitement physique au sein d’un processeur. Les microprocesseurs peuvent contenir de nombreux processeurs. À l’inverse, un cœur physique est un processeur intégré à une puce, mais qui n’occupe qu’un socket, ce qui permet à d’autres cœurs physiques d’exploiter le même environnement informatique.

Périphériques de sortie

L’informatique serait une activité très limitée sans la présence de dispositifs de sortie pour exécuter les jeux d’instructions du CPU. Ces dispositifs incluent des périphériques, qui se connectent à l’extérieur d’un ordinateur et améliorent considérablement ses fonctionnalités.

Les périphériques permettent à l’utilisateur de l’ordinateur d’interagir avec ce dernier et de lui faire traiter les instructions qu’il souhaite. Ils comprennent les éléments essentiels du bureau tels que les claviers, les souris, les scanners et les imprimantes.

Les périphériques ne sont pas les seuls accessoires que l’on peut couramment relier aux ordinateurs modernes. Il existe également des dispositifs d’entrée/sortie largement utilisés qui reçoivent et transmettent des informations, comme des caméras vidéo et des micros.

Consommation électrique

La consommation d’énergie pose certains problèmes. Parmi eux, citons la quantité de chaleur produite par les processeurs multicœurs et les méthodes utilisées pour en dissiper l’excédent dans l’appareil, de sorte que le processeur de l’ordinateur conserve sa protection thermique. C’est pourquoi les centres de données hyperscale (qui hébergent et utilisent des milliers de serveurs) sont conçus avec des systèmes de climatisation et de refroidissement conséquents.

La question de la durabilité se pose également, même s’il s’agit de quelques ordinateurs au lieu de plusieurs milliers. Plus l’ordinateur et ses CPU sont puissants, plus il faudra d’énergie pour assurer son fonctionnement et, dans certains cas extrêmes, cela peut signifier des gigahertz (GHz) de puissance de calcul.

Puces spécialisées

L’intelligence artificielle (IA), le développement le plus marquant de l’informatique depuis ses origines, transforme désormais la plupart, voire la totalité, des environnements informatiques. L’une des évolutions que nous observons sur le marché des CPU, c’est la création de processeurs spécialisés conçus exclusivement pour gérer les workloads lourds et complexes associés à l’IA (ou à d’autres applications spécialisées) :

• Parmi ces équipements, on trouve le Tensor Streaming Processor (TSP), qui gère les tâches de machine learning (ML) en plus des applications d’IA. D’autres produits tout aussi adaptés aux travaux d’IA incluent le processeur AMD Ryzen Threadripper 3990X à 64 cœurs et le processeur d’ordinateur de bureau Intel Core i9-13900KS, qui exploite 24 cœurs.
• Pour une application telle que le montage vidéo, de nombreux utilisateurs optent pour le processeur Intel Core i7 14700KF à 20 cœurs et 28 threads. D’autres préfèrent le Ryzen 9 7900X, considéré comme le meilleur processeur d’AMD pour l’édition vidéo.
• En termes de processeurs pour jeux vidéo, le processeur AMD Ryzen 7 5800X3D est doté d’une technologie 3D V-Cache qui lui permet d’améliorer et d’accélérer les graphismes des jeux.
• Tous les processeurs AMD ou Intel récents devraient facilement gérer les tâches informatiques générales de routine, par exemple l’exécution d’un système d’exploitation comme Windows ou la navigation sur des sites web multimédias.

Transistors

Les transistors sont extrêmement importants pour l’électronique en général et pour l’informatique en particulier. Le terme transistor provient de la contraction de « transfert et résistance » et fait généralement référence à un composant basé sur un assemblage de semi-conducteurs utilisé pour limiter et/ou contrôler la quantité de courant électrique circulant dans un circuit.

En informatique, les transistors sont tout aussi essentiels. Le transistor se trouve à la base de la création de toutes les puces électroniques. Les transistors entrent dans la composition du processeur, et c’est par eux que passe le langage binaire de 0 et de 1 que les ordinateurs utilisent pour interpréter la logique booléenne.

Les informaticiens travaillent sans cesse à l’amélioration des performances et des fonctionnalités des CPU. Voici quelques projections sur les modèles à venir :

• De nouveaux matériaux pour les puces : la puce de silicium est depuis longtemps le pilier du secteur de l’informatique et d’autres produits électroniques. La nouvelle vague de processeurs (lien externe à ibm.com) tirera parti de nouveaux matériaux pour les puces, qui offrent des performances accrues. Ces matériaux incluent les nanotubes de carbone (qui présentent une excellente conductivité thermique à travers des tubes à base de carbone environ 100 000 fois plus petits que la largeur d’un cheveu humain), le graphène (une substance qui possède des propriétés thermiques et électriques exceptionnelles) et les composants spintroniques (qui reposent sur l’étude de la façon dont les électrons tournent, et qui pourraient éventuellement produire un transistor rotatif).
• Le quantique plutôt que le binaire : bien que les CPU modernes dépendent du langage binaire, l’informatique quantique est appelée à changer la donne. Plutôt que d’utiliser un langage binaire, l’informatique quantique tire ses principes fondamentaux de la mécanique quantique, une discipline qui a révolutionné l’étude de la physique. Dans l’informatique quantique, les chiffres binaires (1 et 0) peuvent exister dans plusieurs environnements (au lieu de deux actuellement). Et comme ces données se trouveront à plusieurs endroits, les récupérations deviendront plus faciles et plus rapides. Pour l’utilisateur, cela se traduira par une nette augmentation de la vitesse de calcul et une amélioration générale de la puissance de traitement.

• L’IA partout : l’intelligence artificielle continue de renforcer sa présence, à la fois dans le secteur de l’informatique et dans notre vie quotidienne, et elle exercera une influence directe sur la conception des CPU. À l’avenir, il faut s’attendre à une intégration croissante des fonctionnalités de l’IA directement dans le matériel informatique. Nous assisterons alors à un traitement de l’IA nettement plus efficace. En outre, les utilisateurs remarqueront une augmentation de la vitesse de traitement et des appareils capables de prendre des décisions de manière indépendante en temps réel. En attendant cette mise en œuvre matérielle, le fabricant de puces Cerebras a déjà dévoilé un processeur que ses concepteurs présentent comme la « puce d’IA la plus rapide au monde » (lien externe à ibm.com). Sa puce WSE-3 peut entraîner des modèles IA comportant jusqu’à 24 billions de paramètres. Cette méga-puce contient quatre billions de transistors, en plus de 900 000 cœurs.

Les entreprises attendent beaucoup des ordinateurs dans lesquels elles investissent. En retour, ces ordinateurs dépendent d’un CPU doté d’une puissance de traitement suffisante pour gérer les workloads exigeantes des environnements professionnels à forte intensité de données d’aujourd’hui.

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