L’évaluation des processeurs est un sujet complexe. Avant même d’aborder les tests de performance, il faut naviguer dans un dédale de termes techniques tels que silicium, die, package, IHS et sTIM. Ce jargon peut sembler opaque sans explications claires. Nous allons donc clarifier les éléments fondamentaux d’un processeur qui sont au cœur des discussions des passionnés d’informatique.
Notez bien que ce qui suit n’est pas une analyse exhaustive, mais plutôt une introduction au vocabulaire couramment employé par les geeks du processeur.
Le silicium, point de départ
Il y a plus de dix ans, Intel a dévoilé les étapes de fabrication de ses processeurs, de la matière brute au produit fini. Nous allons nous inspirer de ce processus pour examiner le composant essentiel d’un processeur : le die.
Tout processeur commence avec le silicium, un élément chimique très présent dans le sable. Intel débute avec un lingot de silicium, qui est ensuite découpé en fines tranches circulaires, appelées wafers.
Ces wafers sont ensuite polies jusqu’à obtenir une surface « miroir », marquant le début de la transformation du silicium en une véritable centrale électronique.
Les plaquettes de silicium reçoivent un traitement photorésistant. Elles sont ensuite exposées à la lumière UV, gravées, puis recouvertes d’une nouvelle couche de photorésist. Enfin, elles sont aspergées d’ions de cuivre et polies. Des couches métalliques sont ajoutées pour connecter tous les minuscules transistors présents sur la plaquette. (Comme mentionné, nous ne faisons ici qu’effleurer le sujet).
Nous arrivons maintenant à ce qui nous intéresse le plus. La plaquette est testée pour vérifier son bon fonctionnement. Si les tests sont concluants, elle est découpée en petits rectangles appelés dies. Chaque die peut contenir plusieurs cœurs de traitement, ainsi que le cache et d’autres composants du processeur. Après la découpe, les dies sont testés une seconde fois. Ceux qui passent cette étape sont destinés à la vente.
Voilà ce qu’est un die : un petit fragment de silicium doté de transistors qui constitue le cœur de tout processeur. Les autres éléments physiques aident ce minuscule morceau de silicium à accomplir sa tâche.
Cependant, il y a une subtilité importante : selon le processeur que vous choisissez, il peut contenir un ou plusieurs dies en silicium. Un seul die signifie que tous les composants du processeur, tels que les cœurs et le cache, sont intégrés dans cette unique pièce de silicium. Plusieurs dies sont reliés entre eux par un matériau de connexion.
Il n’existe pas de méthode simple pour déterminer avec certitude si un processeur possède un ou plusieurs dies. Cela dépend du fabricant.
Intel est connu pour utiliser un seul die pour ses processeurs grand public, une conception dite monolithique. L’avantage d’une telle conception est d’offrir de meilleures performances, car tous les éléments sont sur le même die, ce qui réduit les latences de communication.
Toutefois, il devient plus difficile de progresser lorsque l’on doit intégrer des transistors de plus en plus petits sur une surface de silicium identique. Il est également plus complexe de produire des dies uniques fonctionnant parfaitement avec tous les cœurs activés, en particulier lorsque l’on parle de huit ou dix cœurs.
AMD adopte une approche différente. Bien qu’elle fabrique également des processeurs monolithiques, sa série de bureau Ryzen 3000 utilise des puces de silicium plus petites, chacune contenant quatre cœurs. Ces chiplets sont appelés complexes de cœurs, ou CCX. Ils sont assemblés pour former un die plus grand, appelé Core Complex Die (CCD). C’est ce CCD qui est considéré comme un die chez AMD. Il s’agit donc de plusieurs petits chipsets en silicium connectés pour former un processeur fonctionnel.
Les processeurs AMD disposent également d’une puce en silicium séparée des CCD, appelée puce E/S. Nous n’entrerons pas dans les détails ici, mais vous pouvez en apprendre davantage à ce sujet dans cet article de TechPowerUp datant de juin 2019.
Compte tenu de la complexité de la création de dies fonctionnels, il est évident qu’il est plus aisé de fabriquer une unité plus petite de quatre cœurs qu’un seul die de dix cœurs.
Le package du CPU
Une fois le die fabriqué, il a besoin d’un support pour communiquer avec le reste du système informatique. Cela commence généralement par un petit circuit imprimé vert, souvent appelé substrat.
Si vous retournez un processeur fini, vous verrez au bas du circuit vert des contacts dorés (ou des broches, selon le fabricant). Ces contacts ou broches s’insèrent dans le socket de la carte mère et permettent au processeur de communiquer avec les autres composants du système.
Revenons à l’intérieur de notre processeur, où nous n’avons pas encore recouvert le die en silicium. Le composant principal ici est le matériau d’interface thermique, ou TIM. Le TIM améliore la conductivité thermique (essentielle pour le refroidissement du CPU). Il se présente généralement sous deux formes : la pâte thermique ou le sTIM (matériau d’interface thermique soudé).
Le matériau TIM peut varier entre les générations de CPU du même fabricant. Il est difficile de savoir quel type de TIM utilise un processeur particulier sans consulter les actualités ou sans ouvrir soi-même un processeur. Par exemple, Intel a utilisé de la pâte thermique de 2012 à 2018, mais a ensuite commencé à utiliser le sTIM sur ses processeurs Core de neuvième génération haut de gamme.
En résumé, voici les éléments qui constituent le package : le die, le substrat et le TIM.
Enfin, au-dessus de l’ensemble se trouve un dissipateur de chaleur intégré, ou IHS. L’IHS répartit la chaleur du CPU sur une plus grande surface, contribuant ainsi à réduire sa température. Le ventilateur du processeur ou le système de refroidissement liquide dissipe ensuite la chaleur accumulée sur l’IHS. L’IHS est généralement en cuivre nickelé. Le nom du processeur y est imprimé, comme illustré ci-dessus.
Voilà qui conclut notre visite du CPU. Pour récapituler, le die est le morceau de silicium qui contient les cœurs de traitement, les caches, etc. Le package comprend le die, le PCB et le TIM. Enfin, l’IHS complète l’ensemble.
Bien d’autres éléments entrent en jeu, mais ceux-ci sont les plus importants et ceux sur lesquels les actualités et les critiques de processeurs ont tendance à se concentrer.