Microprocesseur multi-cœur
Un microprocesseur multi-cœur (multi-core en anglais) est un processeur possédant plusieurs cœurs physiques (ou unités de calcul) qui travaillent en parallèle.
En effet, la puissance d’un processeur semble limitée à une certaine fréquence, qu’il est difficile de dépasser sans hausse substantielle du coût de fabrication, en grand public, on trouve des processeurs standards de l’ordre de 3,2 GHz.
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[modifier] Histoire
[modifier] Origines
Le terme « multi-cœur » est employé pour décrire un processeur composé d’au moins deux cœurs (ou unités de calcul) gravés au sein de la même puce.
On doit à IBM le premier processeur multi-cœur à avoir été commercialisé : il s'agit du POWER4, en 2001. En 2003, Sun lance l’UltraSPARC IV composé de 2 cœurs UltraSPARC III. En 2004, HP lance le PA-8800 composé de 2 cœurs PA-8700.
Les premiers exemplaires de processeurs multi-cœurs d’Intel et d’AMD sont arrivés sur le marché des ordinateurs personnels en 2005[1]. Il s’agissait de cœurs homogènes, c’est-à-dire identiques. Le cas de cœurs différents et spécialisés dans des domaines bien précis (audio, affichage, calcul pur, etc) a été exploité pour le processeur Cell conçu par IBM, Sony et Toshiba. Ce type d’architecture permet d’augmenter la puissance de calcul sans augmenter la fréquence d’horloge, et donc de réduire la quantité de chaleur dissipée par effet Joule (comme pour les systèmes multiprocesseur).
Les premières puces double cœur basées sur l’architecture x86 sont apparues en 2005 sur le marché des serveurs (Opterons d’AMD). Elles sont apparues parce qu’en pratique la course au GHz est devenue trop onéreuse et compliquée. La génération de processeurs de cette époque ne possédait qu’un seul cœur et avait une consommation qui pouvait dépasser largement les 100 W (notamment sur les processeurs Intel Pentium 4). Elle devait donc faire face à de graves problèmes de refroidissement des circuits[2]. La solution qui a semblé la plus évidente a été de privilégier non plus la fréquence, mais de multiplier la puissance grâce à une architecture parallèle, de façon à pouvoir augmenter le nombre d’opérations exécutées simultanément en un cycle d’horloge.
[modifier] Évolution de la technologie
Depuis le lancement du premier ordinateur sur le marché, les demandes en capacité de calcul sont devenues de plus en plus importantes. Le multitraitement symétrique (SMP) a longtemps été utilisé pour améliorer les performances et l’efficacité informatiques en répartissant les charges sur plusieurs processeurs. Le SMP est particulièrement efficace dans les environnements multiprocessus où plusieurs tâches (processus) doivent être gérées simultanément.
Avec l’évolution des demandes de performances applicatives, les concepteurs de processeurs sont confrontés à un problème : L’augmentation des capacités informatiques est tributaire de la puissance, et le fait d’augmenter la puissance nécessite de gérer aussi les niveaux de dissipation. À cela s’ajoutent les demandes des industriels qui souhaitent des ordinateurs moins encombrants, à savoir plus de serveurs par baie, des ordinateurs portables plus fins et plus légers, et un encombrement réduit pour les systèmes de bureau. Le traitement multi-cœur contribue à relever ces défis. Cette évolution technologique augmente les performances et la productivité dans des ordinateurs de plus petite taille capables d’exécuter simultanément plusieurs applications complexes et de réaliser davantage de tâches en moins de temps.
[modifier] Processeurs multi-cœurs existants
Il existe actuellement plusieurs architectures de processeurs multi-cœurs. Outre les modèles d’Intel et AMD déjà cités, Sun Microsystems a développé sa gamme Niagara et Niagara II ; IBM a développé sa gamme de PowerPC et sa ligne CellBE, commercialisée par IBM sous forme de serveur lame, par Mercury sous forme de châssis renforcé. Le tout premier processeur double cœur pour smartphone lancé par Nvidia fut le Tegra 2 lancé en 2011.
L’industrie cherche dans le même temps à multiplier le nombre de cœurs présents sur un processeur, comme par exemple Intel dans son projet Tera-Scale.
[modifier] Atouts
Avant l’apparition des processeurs multicœurs, les constructeurs de processeurs augmentaient la puissance de leurs produits en élevant la fréquence de calcul de leurs processeurs monocœurs. Mais cette méthode a fini par atteindre ses limites. L’augmentation de fréquence d’un processeur nécessite l’augmentation de la puissance électrique fournie, et donc de l’énergie thermique générée, qu’il faut dissiper. Le besoin croissant en énergie était notamment problématique pour les ordinateurs portables. Les processeurs monocœurs les plus puissants utilisés dans les ordinateurs de grande distribution ont des puissances ne dépassant en général pas les 3 ou 4 GHz, car au-delà les problèmes cités plus haut deviennent trop contraignants. On a pu observer dans certains salons de technologie des processeurs de fréquence bien plus élevée, mais ils étaient équipés de refroidissement à l'azote liquide et autres.
C’est pour contourner cette limite que les constructeurs se sont tournés vers la fragmentation des puces. Il existait déjà des ordinateurs fonctionnant avec plusieurs processeurs distincts (par exemple, les supercalculateurs). L’idée ici est de reproduire ce parallélisme au sein d’un unique processeur : en bref, introduire plusieurs unités de calcul dans un même processeur. Le principe est simple : plutôt que d’avoir un processeur « simple » à fréquence élevée, on utilise par exemple deux cœurs, de fréquence moitié moindre. On obtient alors un processeur théoriquement de même puissance, mais de fréquence d’horloge beaucoup plus basse, et une moindre consommation électrique. Le processeur ne rencontre pas les problèmes d’alimentation et de surchauffe de son homologue monocœur.
En plus de ces avantages purement techniques, il s’avère que ces microprocesseurs sont également bien plus efficaces dans le traitement multitâche. Sur les systèmes mono-cœurs, le fonctionnement multitâche peut dépasser les capacités de l’UC, entraînant une baisse des performances liée à la mise en attente des opérations à traiter. Sur les systèmes multi-cœurs, dans la mesure où chaque cœur dispose de sa propre mémoire cache, le système d’exploitation dispose de suffisamment de ressources pour traiter en parallèle les tâches les plus exigeantes en calculs. Si plusieurs applications sont exécutées simultanément sur l’ordinateur, celui-ci peut dès lors répartir ce travail entre les cœurs de processeurs, plutôt que d’effectuer les opérations en alternance sur un seul processeur.
[modifier] Contraintes logicielles
Malheureusement, cette approche comporte quelques désavantages, puisque les programmes doivent être repensés pour pouvoir exploiter pleinement les caractéristiques de ces processeurs. En effet, les composants d’un processeur multicœur ont une puissance individuelle inférieure à celle d’un processeur monocœur classique ; un logiciel non adapté au multicœur et qui ne saura donc effectuer ses différents calculs qu’à l’aide d’un seul des cœurs du processeur sera par conséquent exécuté à une vitesse moindre.
En 2006, très peu de logiciels gèrent le bi-cœurs, et globalement les logiciels ne sont pas conçus pour tirer le maximum de cette technologie (excepté dans le monde GNU/Linux où les applications sont portées en très grande majorité -près de 99,8 %- sous plusieurs types d’architectures). Une fois effectuée une mise à niveau de tous les programmes vers la nouvelle architecture, les performances se détacheront nettement dans les applications gourmandes comme les jeux vidéo.
Ces mises à jour touchent également les systèmes d’exploitation, qui peuvent diviser par eux-mêmes les calculs effectués par les logiciels qu’ils exécutent. Cela permet d’utiliser la technologie multicœur même avec des logiciels non adaptés à ce type de traitement, même si cette utilisation est moins performante que si le logiciel indique directement comment doivent se diviser les calculs. De telles adaptations sont nécessaires à chaque augmentation du nombre de cœurs dans les processeurs. Ce n’est que lorsque celles-ci ont été effectuées que les nouveaux processeurs peuvent exprimer leur plein potentiel.
Le marché des télécommunications a été l’un des premiers à adopter les processeurs multi-cœurs, aussi bien pour la couche d’acheminement des données que pour la couche de commande. Depuis, ces MPU sont en train de remplacer rapidement les processeurs réseaux (NP) qui étaient basés sur des architectures propriétaires à base de microcode et picocode. 6WIND a été la première société à fournir du logiciel réseau embarqué optimisé pour ces architectures multi-cœurs.
La programmation parallèle bénéficie également directement de plusieurs cœurs. Des modèles de programmation comme OpenMP, MPI ou OpenHMPP peuvent être utilisés sur ces plates-formes multi-cœurs. D’autres efforts de recherche sont également menés, par exemple le système Codeplay Sieve, les langages Ateji PX, Chapel (en) de Cray, Fortress de Sun et X10 d’IBM.
[modifier] Exemples commerciaux
- (en) 6WINDGate, Plan donnée et plan de contrôle embarqué parallèle de 6WIND pour les processeurs réseaux multi-cœurs
- (fr) National Instruments, Tutoriel sur les principes fondamentaux de la programmation multi-cœur
[modifier] Notes et références
- Intel présente son premier dual core cette semaine, article rédigé le 7 février 2005.
- Pourquoi Intel et AMD se convertissent aux puces double cœur.
