1. Un petit historique.
Le premier X86 compatible date de 1981 et est
implanté dans les premiers XT d'IBM: c'est le 8088. C'est un simple
processeur 16 bits de l'époque avec une architecture interne de type
CISC. Pour comprendre le terme CISC (Complex Instruction SET Computer),
il faut faire un retour dans les considérations commerciales des
premiers fabricants de processeurs. A l'époque, la vitesse n'était pas
forcément le but ultime, on est aux balbutiements et tout se programme
quasiment en assembleur (un langage de programmation machine constitué
de lignes de codes écrits en hexadécimal, aidé par quelques compilateurs). Les
fabricants vont intégrer des instructions simples mais aussi des
instructions nettement plus complexes. Ceci permet d'écrire quelques
lignes de codes pour faire exécuter des fonctions complexes, et c'est
une des base du marketing de l'époque, nos programmes s'écrivent plus
vite avec moins d'instructions ... Pourtant, ces commandes sont écrites (leur code en
hexadécimal - binaire) d'une manière plutôt anarchiste ce qui oblige
un décodage interne complexe. En plus, la majorité des ces
instructions spécifiques ne sont pas utilisées car méconnues par les
programmeurs de l'époque. C'est la  base
du CISC, une longue liste d'instructions utilisables complexes mais qui sont
peu utilisées en pratique et qui ralentissent finalement le
fonctionnement du processeur. Les processeurs suivant sont compatibles
avec les instructions de ces "vieux" 8088 donc doivent pouvoir
lire ces commandes.
Nexgen, firme aujourd'hui disparue, va
modifier cette pratique en utilisant un décodeur. L'idée est d'arriver
avec des instructions 8088, de les prédécodées puis de les faire
passer dans un processeur qui connaît moins d'instruction mais les
exécute directement, c'est le RISC (Reduce Instructions Set Computer,
nombre d'instructions réduites). Cette solution est adaptée ensuite
par Intel depuis les Pentium II et par AMD depuis les K6-2.
Au total, le résultat est le même mais le
coeur du processeur va exécuter l'ensemble plus vite, d'où un gain de
temps et de performance.
2. Le fonctionnement des mémoires cache.
 Dans
les premiers processeurs, sa vitesse externe était lié à celle de la
RAM. Ca a marché jusqu'aux 486 mais les vitesses des mémoires ont
montré leur limitations par rapport à celle des processeurs, ce qui
explique (à l'époque) les 486 X2. Du coup, le processeur tourne plus
vite que la mémoire et les données - programmes n'arrivent plus assez
vite pour satisfaire la gourmandise des parties internes.
La première idée a été de mettre un
circuit entre la Ram et le processeur qui récupère les instructions et
données qui sembles passer les plus souvent pour les mettre dans une
mémoire intermédiaire plus rapide mais plus chère (c'est le cache L2). Pourtant ce circuit n'a aucune intelligence et ne sait pas ce qui
se passe. Un exemple standard: un monsieur passe devant vous 4 X en
cinq minutes ne prouve pas qu'il passe souvent, il est peut-être juste
perdu. Pourtant, cette solution procure des hausses importances de
performances (à l'époque jusque 30 % de
performances en plus quand même ...). Là aussi les premiers Pentium II et consort vont modifier le
fonctionnement par rapport aux 386 et 486, le contrôleur est
directement le processeur et implanté avant le décodage.
 Pourtant, des parties de programmes et
données sont
nettement plus utilisées que d'autres. Revenons à notre processeur
CISC ci-dessus. Il va simplement récupérer les données les plus
utilisées dans une mémoire interne en fin de traitement pour les
renvoyer à la demande à l'unité de décodage. Pour les codes de
programmes, c'est encore plus simple, il va les mettre directement en
"cache"après l'unité décodage (donc prédécodées). La
taille du cache L1 est typiquement de 64 K pour chaque partie (soit 128
K octets au total).
Reste les premières versions du cache L2
(géré par un circuit extérieur). Quelques cartes mères (mais aussi
processeurs vont utiliser un cache L2 géré par le processeur et par
... un circuit externe. Du coup, celui géré par un circuit externe va
devenir .... L3 mais aussi servir pour le partage interne dans
les multi-cores actuels.
3. Les avantages actuel du RISC
Reprenons cette exécutions d'instructions
simples mais prédécodées. Dans un "ancien processeur",
chaque instruction est décodée à tour de rôle, quelque soit sont
type (calculs sur des nombres entiers, réels, déplacement de données
en mémoire, ....). C'est là l'avantage du RISC dans les processeurs
actuels, mettre plusieurs sous parties spécialisées pour leur taches
respectives qui peuvent travailler simultanément (du moins s'ils reçoivent
des instructions pour travailler, d'où l'intérêt des
mémoires caches).  Reprenons notre partie
interne avec la partie exécution simple d'instructions et ... dissocions
les parties en fonction de leurs tâches respectives en prenant un
exemple plus commun. J'arrive dans un restaurant, la personne de
l'accueil va placer les gens à table, un premier serveur va commander
l'apéritif, un deuxième va prendre la commande, un autre va livrer les
plats, ... Ca va aller tout de suite plus vite, chaque membre du
personnel va d'abord être plus spécialisé mais aussi ne pas faire 30
choses à la fois. C'est le même principe pour un processeur actuel. On
pourrait faire mieux? Et oui, on va augmenter le nombre de personnes
spécialisées. C'est le principe actuel dans le coeur des processeurs,
mettre plusieurs unités qui font le même travail en même temps si
c'est nécessaire, ce qui n'est pas possible avec une architecture CISC. L'hyperthreading implanté dans les derniers
Pentium IV (pas tous) et dans l'I7 utilisent finalement cette idée en
découpant les programmes en parties distinctes qui sont exécutées par
des parties différentes du processeur. Il intègre juste un mécanisme
pour suivre chaque morceau (en gros, il est capable de mémoriser deux
adresses mémoires en même temps).
4. Et maintenant,
l'intégration dans les multi- coeurs.
D'abord, une carte mère avec deux
processeurs ou un seul dual core? Un multi-coeur est intégré dans
le même circuit et utilise un seul socket. Par contre, deux processeurs
distincts utilisent chacun leur propre socket. De fait, les bus externes
sont partagés dans un processeur multi-core alors qu'ils sont
multiplexé via un chipset spécialisé sur une carte mère utilisant
deux processeurs (ou plus). Les accès mémoires et périphériques sont donc plus
rapides. De fait, les performances globales sont légèrement
supérieures pour deux processeurs par rapport à un Dual-Core. Mais ...
Les deux coeurs d'un Dual Core sont mieux liés pour partager des
données et instructions. Ils communiquent directement entre-eux sans
passer par un circuit intermédiaire. Comment
se font les transferts de données à l'intérieur d'un multi-coeur? Ca
dépend du type de processeur.  Dans
les Core deux Duo Intel (et quadri), les deux processeurs sont
collés ensemble via le cache L2 qui permet le partage, ensuite à un
bus externe (qui varie suivant les modèles) comme ci-contre.
Les
derniers processeurs gèrent directement la Ram, sans passer par un
circuit intermédiaire (appelé le Northbridge). AMD
avec les Athlon X2 et autres Opteron utilise une autre technique, celle
de l'utilisation d'un bus interne qui sert aussi de bus externe (c'est
l'hyper-transport). Dans ce cas, le bus interne sert non seulement à
raccorder les différents Core entre-eux mais  également
les cache L2 séparés et même l'extérieur (à l'exception de la
mémoire Ram qui est directement reliée au processeur et pas par
l'intermédiaire du chipset. Intel avec l'I5 et l'I7
utilisent une structure tout à fait identique. Par contre, les Phenom
d'AMD modifient un peu cette architecture en reprenant en plus un cache
L3 partagé entre les différents coeurs. 5.
L'architecture, source de performances?
Oui, c'est actuellement elle qui différencie
les modèles et plus la fréquence pure de fonctionnement. Cette
modification de structure a par exemple permit à Intel de diviser
quasiment par 3 la fréquence lors du passage du Pentium IV à l'Intel
Core. C'est également ce qui avait permis à AMD d'être plus
performant avec ses premiers Athlon (à la même fréquence) par rapport
aux Pentium III. Plus proche de nous, l'I7 avec une structure
complètement remanié par rapport à ses prédécesseurs reste le plus
performant actuellement à vitesse égale (et ce n'est pas que par
l'utilisation de mémoires DDR3).
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