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COMPOSITION D'UN MICROPROCESSEUR
Le microprocesseur est composé de plusieurs blocs de transistors appelés unités. On distingue trois catégories d'unités :
• Unités de calcul
1 - L'unité Arithmétique ou A.L.U (Aritmetic Logical Unit)
Elle est chargée d'effectuer des opérations (sommes, additions, ...) sur des nombres réels entiers.
2 - L'unité de calcul flottant ou F.P.U (Floating Point Unit)
Elle est chargée d'effectuer des opérations complexes (sommes, additions, racines carrées, sinus ...) non seulement sur des nombres réels entiers mais aussi sur des nombres réels à virgule (calculs en virgules flottantes).
3 - L'unité multimédia
Les microprocesseurs pour PC ont vu la première extension multimédia avec la technologie MMX introduite par Intel (et utilisée par AMD) en 1997, dans le but d'optimiser les programmes multimédia (calculs de nombres entiers).
AMD (en collaboration avec Digital) a ensuite introduit sa technologie 3DNow! en 1998, dans le but d'optimiser les calculs 3D (calculs en virgules flottantes). Intel a riposté en introduisant sa technologie SSE ou Streaming SIMD en 1999. C'est l'équivalent du 3DNow!, même si le SSE est théoriquement plus performant.
A la sortie de son processeur Athlon, AMD a introduit en 1999 un complément à sa technologie 3DNow! permettant une optimisation plus complète des calculs en virgules flottantes (MP3, AC-3, Soft modems, Soft ADSL, .).
. Unités de contrôle
Elles sont chargées du décodage des instructions, de l'accès à la mémoire vive, etc...
. Unité de mémoire cache
1 - Cache de niveau 1 ou cache L1 (Level 1)
Cette mémoire cache est divisée en deux parties égales : l'une pour les instructions, l'autre pour les données. Sa taille est actuellement comprise entre 32 Ko et 128 Ko en fonction du microprocesseur. Elle permet de stocker les instructions et les données les plus souvent utilisées. Cette mémoire cache est beaucoup plus rapide que la mémoire vive, puisqu'elle a l'avantage d'être accédée à la même fréquence que le microprocesseur. On observe alors un gain raisonnable de performance.
2 - Cache de niveau 2 ou cache L2 (Level 2)
C'est une extension du cache L1. Tous les processeurs récents disposent d'un cache L2 intégré. Sa taille est actuellement comprise entre 128 Ko et 512 Ko en fonction du microprocesseur. Auparavant, ce type de cache était disposé sur la carte mère, mais son intégration avec la microprocesseur permet au cache L2 d'être accéder à une fréquence plus importante et proportionnelle à la fréquence du microprocesseur. L'intégration du cache L2 s'est faite par étapes : il a d'abord été à proximité du microprocesseur (sur un circuit intégré) et accédé à la moitié de la fréquence de celui-ci (pour l'Athlon d'AMD sur Slot A et les Pentium II et !!! sur Slot 1), puis il a été intégré au cour du microprocesseur (« on die ») et accédé à la même fréquence que celui-ci (pour le K6-III sur Socket 7, le Celeron et le Pentium !!! sur Socket 370, ...).
3 - Cache de niveau 3 ou cache L3 (Level 3)
Ce type de cache est beaucoup moins fréquent, puisque son coût est élevé. C'est pourquoi il est utilisé dans les microprocesseurs haut de gamme, destinés au stations de travail ou serveurs. Sa taille est actuellement comprise entre 1 Mo et 8 Mo en fonction du microprocesseur. A cause de sa taille, le cache L3 ne peut être directement intégré au microprocesseur, mais il reste tout de même à proximité.
LES LIMITATIONS PHYSIQUES ET LEURS SOLUTIONS
. La technologie de gravure
Plus la fréquence des processeurs est élevée, plus il chauffe (par effet Joule). Or, si le processeur surchauffe, il refusera de fonctionner. Le dégagement de chaleur important d'un processeur est donc un obstacle pour son augmentation de fréquence.
Pour remédier à ce problème, on peut utiliser une technologie de gravure plus fine. Il en résulte une réduction de la surface des circuits du processeur ; il est ainsi plus facilement refroidi, et il devient possible d'augmenter sa fréquence. Le fait d'utiliser une technologie de gravure plus fine permet également de réduire ses coûts de fabrication, et/ou d'y ajouter de nouveaux circuits.
Il faut aussi savoir qu'au fur et à mesure que la technologie de gravure devient fine, il y a de moins en moins d'électrons qui circulent en même temps dans les transistors. C'est pourquoi, le voltage du processeur diminue afin de maintenir la structure des transistors.
Les processeurs sont actuellement gravés avec une technologie de 0,18µm, mais elle devrait se généraliser à 0,13µm très prochainement. Il est également prévue qu'elle passe à environ 0,08µm en 2003.
Les méthodes de fabrications des microprocesseurs ont guère évolué depuis les premiers microprocesseurs. En effet, on grave toujours plus fin pour obtenir une fréquence plus élevée. De ce fait, si les technologies de gravure n'évoluent pas, elles atteindront vraisemblablement leur limite physique dans les années prochaines, car en-dessous d'une gravure de 0,08µm, les électrons, qui circulent dans le microprocesseur, deviennent pratiquement (voire totalement) incontrôlables, d'où d'énormes pertes d'energie.
C'est pourquoi, de nombreux chercheurs tentent de mettre au point un nouveau procédé de gravure. Les chercheurs d'IBM Microelectronics se concentrent, pour l'instant, sur la lithographie par faisceaux d'électrons. Ce procédé, comparé à l'actuelle lithographie optique, permet d'obtenir une longueur d'onde et une consommation en énergie inférieures. Ainsi, cette nouvelle technologie permet d'obtenir une gravure très fine : 0,08µm, voire 0,05µm.
Une autre solution envisagée est la technologie S.O.I. (Silicon On Insulator). Cette technologie permet d'ajouter une couche d'un isolant entre les différentes couches de silicium ce qui permet de réduire la perte d'électrons lors de leur passage sur les différents transistors d'un processeur, cet isolant sera uniquement destiné à canaliser les électrons, le but étant d'éviter les grosses pertes d'énergie.
. Le conducteur de courant
L'aluminium est actuellement utilisé comme conducteur de courant au cour du silicium des processeurs, mais, au fur et à mesure que l'on augmente le nombre de transistors, les liaisons qui leurs servent d'interconnexions sont de plus en plus rapprochées, ce qui accroît la résistance à l'intérieur des circuits.
Mais, après avoir effectué 15 ans de recherche, les ingénieurs d'IBM ont mis au point son successeur : le cuivre. Le cuivre offre de nombreux avantages, dont une meilleure conductivité du courant, une plus faible consommation d'énergie, et une meilleure résistance aux différences de températures.
AMD et Intel sont conscients de ces avantages et utiliseront la technologie du cuivre dans leurs processeurs lorsqu'ils en auront le besoin. Pour l'instant, AMD est plus intéressé par cette technologie qu'Intel : en effet, AMD est prêt à utiliser cette technologie, alors qu'Intel prévoit, quant à lui, d'utiliser le cuivre au passage à la technologie de gravure 0,13µm (en 2001).