Qu'est-ce qu'un processeur et que fait-il?

Si l'on devait identifier la composante la plus cruciale d'un ordinateur, ce serait sans aucun doute le processeur central (CPU). Il agit comme le nœud principal, le véritable "cerveau" de la machine, traitant les instructions émanant des programmes, du système d'exploitation et des autres éléments constitutifs de votre PC.

L'Essence Binaire : 1 et 0

L'évolution des processeurs a été fulgurante. De la simple capacité à afficher une image statique sur un écran, nous sommes passés à des expériences interactives telles que Netflix, les appels vidéo, le streaming en direct et les jeux vidéo d'une qualité toujours plus saisissante.

Le CPU est un véritable exploit d'ingénierie. Cependant, son fonctionnement fondamental repose toujours sur l'interprétation des signaux binaires, soit les 1 et les 0. La différence majeure réside dans le fait que, au lieu de lire des cartes perforées ou de traiter des instructions à l'aide de tubes à vide, les processeurs actuels emploient des transistors microscopiques pour donner vie à des vidéos TikTok ou réaliser des calculs complexes dans des feuilles de tableur.

Les Fondamentaux du CPU

La fabrication d'un CPU est un processus complexe. L'élément clé est que chaque CPU est constitué de silicium (un ou plusieurs blocs) qui héberge des milliards de transistors microscopiques.

Comme mentionné précédemment, ces transistors interprètent une série de signaux électriques (courant "on" et courant "off") afin de représenter le code binaire de la machine, composé de 1 et de 0. La quantité astronomique de transistors permet aux processeurs d'accomplir des tâches toujours plus complexes, et ce à des vitesses considérablement plus rapides qu'auparavant.

Le nombre de transistors n'est pas l'unique facteur déterminant la vitesse d'un processeur. Toutefois, il s'agit d'une raison fondamentale pour laquelle le smartphone que vous avez dans votre poche dispose d'une puissance de calcul supérieure à ce que la planète entière possédait lorsque l'homme a mis le pied sur la lune pour la première fois.

Avant d'approfondir les spécificités techniques des processeurs, parlons de la manière dont ils exécutent les instructions basées sur le code machine, appelées "jeu d'instructions". Les processeurs de différentes entreprises peuvent posséder des jeux d'instructions différents, bien que ce ne soit pas toujours le cas.

La majorité des PC Windows et des processeurs Mac actuels, par exemple, utilisent le jeu d'instructions x86-64, qu'il s'agisse d'un processeur Intel ou AMD. Cependant, les Mac qui feront leur apparition à la fin de 2020 sont équipés de processeurs basés sur l'architecture ARM, qui emploie un jeu d'instructions distinct. Un petit nombre de PC Windows 10 utilisent également des processeurs ARM.

Cœurs, Caches et Graphiques

Examinons maintenant le silicium lui-même. Le schéma ci-dessus est extrait d'un livre blanc d'Intel datant de 2014, portant sur l'architecture de ses CPU pour le Core i7-4770S. Il ne s'agit que d'un exemple de la configuration interne d'un processeur ; d'autres processeurs présentent des dispositions différentes.

Ce processeur particulier est un processeur à quatre cœurs. Il fut un temps où un processeur n'avait qu'un seul cœur. L'augmentation du nombre de cœurs permet de traiter les instructions avec une efficacité accrue. Les cœurs peuvent également être dotés de l'hyper-threading ou du multi-threading simultané (SMT), ce qui permet à un noyau d'être perçu comme deux par l'ordinateur. Cela accélère encore davantage les temps de traitement.

Les cœurs de ce schéma partagent ce qu'on appelle le cache L3, une forme de mémoire intégrée au sein du processeur. Les processeurs disposent également de caches L1 et L2 situés dans chaque cœur, ainsi que des registres, une forme de mémoire de niveau inférieur. Pour mieux comprendre les différences entre les registres, les caches et la RAM système, vous pouvez consulter cette explication sur StackExchange.

Le processeur illustré ci-dessus comprend également l'agent système, le contrôleur de mémoire et d'autres parties du silicium qui gèrent le flux d'informations entrant et sortant du processeur.

Enfin, le processeur intègre souvent une partie graphique, responsable de la génération des éléments visuels que vous voyez sur votre écran. Cependant, tous les processeurs ne sont pas équipés de cette capacité. Les processeurs de bureau AMD Zen, par exemple, nécessitent une carte graphique distincte pour pouvoir afficher des images. De même, certains processeurs de bureau Intel Core ne possèdent pas de processeur graphique intégré.

Le Processeur et la Carte Mère

Maintenant que nous avons exploré le fonctionnement interne du processeur, examinons comment il s'intègre dans le reste de l'ordinateur. Le processeur est installé dans un socket spécifique de la carte mère.

Une fois en place, d'autres composants de l'ordinateur peuvent communiquer avec le processeur par le biais de "bus". La RAM, par exemple, utilise un bus dédié, tandis que de nombreux autres composants PC utilisent un type de bus spécifique, appelé "PCIe".

Chaque CPU dispose d'un certain nombre de "lignes PCIe" qu'il peut utiliser. Les processeurs Zen 2 d'AMD, par exemple, possèdent 24 lignes qui se connectent directement au processeur. Ces lignes sont ensuite distribuées par les fabricants de cartes mères, avec l'aide d'AMD.

Par exemple, 16 lignes sont généralement attribuées à un emplacement de carte graphique x16. Ensuite, quatre lignes sont réservées au stockage, telles qu'un SSD M.2 rapide. Ces quatre lignes peuvent également être divisées, deux lignes pour le SSD M.2 et deux lignes pour un disque SATA plus lent, tel qu'un disque dur ou un SSD de 2,5 pouces.

Cela représente 20 lignes, les quatre restantes étant attribuées au chipset, qui assure le rôle de centre de communication et de contrôleur de trafic de la carte mère. Le chipset possède également ses propres connexions de bus, ce qui permet d'ajouter encore plus de composants à un PC. Les composants les plus performants sont généralement ceux qui bénéficient d'une connexion plus directe avec le processeur.

Comme nous l'avons vu, le processeur prend en charge la majeure partie du traitement des instructions, et parfois même le rendu graphique (si sa conception le permet). Le processeur n'est pas pour autant le seul moyen de traiter les instructions. D'autres composants, comme la carte graphique, disposent de leurs propres capacités de traitement intégrées. Le GPU utilise ses capacités de traitement dédiées en collaboration avec le processeur pour exécuter des jeux ou réaliser d'autres tâches gourmandes en ressources graphiques.

La principale différence réside dans le fait que les processeurs d'autres composants sont conçus pour des tâches spécifiques. Le processeur, lui, est un outil polyvalent capable de traiter n'importe quelle tâche informatique qui lui est confiée. C'est pourquoi le processeur est la pièce maîtresse de votre PC, et le reste du système dépend de lui pour fonctionner correctement.