Processeur CPU et coeurs : Caractéristiques et fonctionnement

Le processeur de l’ordinateur est la puce électronique la plus importante qui permet de faire fonctionner votre PC.
C’est le coeur de l’ordinateur, en anglais on peut nommer ce dernier CPU pour central processing unit (CPU).
Ce dernier comporte aussi des cores ou coeurs physiques et logiques.
Enfin il existe beaucoup de type de processeurs car les fabricants Intel ou AMD proposent différentes gammes. Il est parfois difficile de s’y retrouver.

Cet article vous donne les grandes lignes sur le fonctionnement du processeur d’un ordinateur.

Fonctionnement des processeurs d’un ordinateur

Le fonctionnement processeur

Le processeur est une puce de calcul important de l’ordinateur qui en fait un point central.
Ce dernier va effectuer les calculs nécessaires pour que votre système d’exploitation et applications puissent fonctionner.
D’un point de vue fonctionnel, le processeur effectue des calculs dont les données sont stockées dans la mémoire RAM de l’ordinateur.
Des allés venus se font entre ces deux composants pour que les logiciels puissent fonctionner.
Plus les échanges sont rapides, plus le processeur va pouvoir effectuer de calcul. Ainsi le processeur embarque aussi un cache interne pour éviter de piocher les données redondantes dans la RAM. Cela accélère encore les traitements.
Du côté de l’affichage et rendu graphique vers l’écran et le moniteur, les échanges se font entre le processeur et la carte graphique.

La communication avec les périphériques plus lent se fait à travers le chipset.

Notre article suivant d’écrit mieux le fonctionnement d’un ordinateur et le rôle du processeur d’un ordinateur :

Enfin il ne faut pas confondre CPU et GPU.

Le jeu d’instruction

Enfin un processeur se caractérise par son jeu d’instruction (addition, multiplications) mais aussi la manière dont les données sont stockées en mémoire.
On distingue notamment les jeux d’instructions 32-bits et 64-bits.
On trouve différents type de jeux d’instructions comme :

• x86 qui sont les processeurs compatibles Intel 8086. On distingue x86-32 et x86-64 selon si architectures 32-bits et 64-bits.
• AMD64
• PowerPC
• SPARC
• ARM

Les logiciels et applications doivent être compilés pour fonctionner sur ce type d’instructions et ne peuvent donc fonctionner que pour ce type de processeur.
Cela inclut aussi le système d’exploitation qui fonctionne avec un jeu d’instructions de processeur en particulier.

Intel et AMD

Actuellement sur les PC, il existe deux constructeurs de processeurs principaux : AMD et Intel.
Chacun à ses propres gammes de processeurs et technologies associées qui sont liées à des appellations et générations.

Par exemple, chez  Intel on trouve des processeurs

• Processeurs Intel Pentium Gold et Silver : Processeurs entrée de gammes.
• Celron ou Core m3 : Processeurs très basses consommations d’énergies pour ordinateur de type netbook
• i3 : milieu de gammes et plutôt à destination des ordinateurs portables car conçu pour l’économie d’énergie.
• i5 : PC personnel pour ordinateur de milieu et hauts de gammes
• i7 : génération haut de gammes, vous pouvez jouer avec ce type de processeur
• i9 : sortie en 2017, c’est le très haut de gamme.

Chaque génération a ensuite ses sous-catégories, par exemple i9 se décline en i9 core et i9 Core Série X.
C’est le même mécanisme que pour les cartes graphiques.

Du côté de chez AMD, on trouve la génération Ryzen avec un numéro de version et des modèles de type 1300X à 1950.
Par exemple Ryzen 7 1800X.
Plus le chiffre est élevée plus le processeur est haut de gammes.
Actuellement la dernière génération est le Ryzen 9 qui correspond à la troisième génération.

Enfin les processeurs ont des formats différences.
Ainsi, c’est à dire l’emplacement sur la carte mère qui fait contacte avec celle-ci. C’est le socket.
Ainsi, le processeur AMD ou Intel selon la génération ne peut fonctionner que certains types de cartes mères.

Type de PC	Processeurs Compatibles	Chipsets Intel	Chipsets AMD
Bureautique	Intel Core i3, i5	H610, B660	A520, B550
Multimédia	Intel Core i5, i7	B660, H670	B550, X570
Gaming	Intel Core i5, i7, i9	Z690, Z790	X570, B650, X670
Stations de travail	Intel Core i7, i9, Xeon	W680, W790	TRX40, WRX80
Ordinateurs portables	Intel Core i3, i5, i7, i9	Série 600 (HM670, QM670)	Série 6000 (FP6, FP7)

Les composants du processeur

Le processeur se compose de plusieurs éléments distincts qui en font ses caractéristiques.

L’horloge du processeur

L’horloge du processeur qui fournit un signal régulier pour synchroniser ce dernier. Cette fréquence est exprimée en GHz, par exemple on dit un processeur de 3 GHz qui correspond à 3 trois milliards d’opérations en une seconde. Plus cette fréquence sera élevée et plus le processeur pourra effectuer d’opération.
En général, on trouve deux fréquences :

• La fréquence de base correspond à vitesse moyenne du processeur
• La fréquence Turbo maximale (Intel) ou fréquence de Boost Maximale (AMD) est donc la fréquence maximale que le processeur peut délivrer

Plus de détails :

Le CPU est doté d’une fréquence de base (BCLK), en général de 100 MHz.
A cette fréquence de base, on applique un multiplicateur CPU ratio.
Par exemple, un multiplicateur CPU de 46 et une horloge de base de 100 MHz donnent une vitesse d’horloge de 4,6 GHz.

Le procédé d’augmenter la fréquence d’horloge se nomme l’overclocking (surcadençage).
L’article suivant explique comment procéder :

Les cores ou coeurs physiques

Il s’agit de mini-processeur qui peuvent effectuer des opérations de calculs en même temps. Le but est de diviser la file d’attente dans ces coeurs pour effecteur plusieurs opérations de calculs en même temps et donc multiplier la vitesse d’exécution.

En d’autres termes cela permet à un processeur de faire plusieurs tâches à la fois et augmente donc virtuellement sa puissance.
Il faut toutefois que le programme soit développé pour tirer partie des coeurs.
Par exemple pour beaucoup de jeux, cela n’apporte rien car ils ne sont pas prévus pour tirer partie des coeurs.

Par exemple le Ryzen 9 possède 12 coeurs.
On parle alors de processeurs multi-cores ou multi-coeurs contrairement au mono-coeur.

La mémoire cache ou tampon (L1, L2, L3)

La mémoire cache ou tampon qui sont des mémoires caches internes au processeur. Le but est d’être moins dépendant de la mémoire RAM afin d’éviter les échanges. Il existe plusieurs :

La mémoire cache de premier niveau (appelée L1 Cache, pour Level 1 Cache) est directement intégrée dans le processeur. Les caches du premier niveau sont très rapides d’accès. Leur délai d’accès tend à s’approcher de celui des registres internes aux processeurs. . Elle se subdivise en 2 parties :

• La première est le cache d’instructions, qui contient les instructions issues de la mémoire vive décodées lors de passage dans les pipelines.
• La seconde est le cache de données, qui contient des données issues de la mémoire vive et les données récemment utilisées lors des opérations du processeur.

La mémoire cache de second niveau (appelée L2 Cache, pour Level 2 Cache) est située au niveau du boîtier contenant le processeur (dans la puce). Le cache de second niveau vient s’intercaler entre le processeur avec son cache interne et la mémoire vive. Il est plus rapide d’accès que cette dernière mais moins rapide que le cache de premier niveau.

Les registres, ALU et UAL

On trouve ensuite plusieurs éléments utiles au calcul du processeur.

ALU (arithmetic logic unit) ou UAL (l’unité de calcul arithmétique et logique) : c’est l’unité de calcul du processeur.
Elle effectue des opérations arithmétiques entières et logiques au niveau du bit.

Les registres ce sont des mémoires internes rapides qui stockent certaines informations utiles comme les données traitées par l’UAL (l’unité de calcul arithmétique et logique), et l’adresse mémoire de l’instruction en cours d’exécution ou de la suivante (en fonction de l’architecture).

Unité de contrôle : rassemble les instructions en mémoire pour les envoyer à l’ALU, registres et autres composants.

Le séquenceur ou unité de contrôle qui gère les registres à utiliser, les interruptions, etc.

Processeur graphique intégré (IGP)

Processeur graphique intégré (IGP) : Processeur graphique intégré à la carte mère ou parfois au processeur. Il s’agit de processeur graphique peut puissant souvent à destination des ordinateurs portables. Pour une utilisation bureautique, ils sont suffisant pour l’affichage à l’écran.

Parfois l’ordinateur peut avoir deux processeurs graphiques. Les aspects et explications sont données sur la page : Ordinateur portable avec deux cartes graphiques : Intel et AMD ou Nvidia

Voici la vue de l’intérieur d’un processeurs avec les coeurs (cores).

Les technologies du processeur

Les constructeurs de processeurs ont leurs propres technologies pour améliorer la vitesse, apporter des fonctionnalités spécifiques ou améliorer la sécurité.
Certaines de ces fonctions peuvent être activées dans le BIOS de l’ordinateur.

Intel

• Intel Turbo Boost : augmente en dynamique la fréquence du processeur selon les besoins, en tirant parti de la réserve thermique et électrique pour apporter un surplus de vitesse quand le besoin s’en fait sentir et une meilleure efficacité énergétique dans le cas contraire
• Hyper-Threading : fournit deux unités d’exécution par cœur physique. Les applications multi-processus peuvent abattre plus de travail en parallèle et ainsi terminer plus rapidement les tâches.
• Intel VT : La technologie de virtualisation Intel VT pour les E/S répartis (VT-d) prolonge la prise en charge existante de la technologie de virtualisation Intel VT pour IA-32 (VT-x) et Itanium (VT-i) en ajoutant une nouvelle prise en charge pour la virtualisation des périphériques d’E/S. La technologie de virtualisation Intel VT pour les E/S répartis peut aider les utilisateurs à améliorer la sécurité et la fiabilité de leurs systèmes, ainsi que les performances des périphériques d’E/S dans les environnements virtualisés.
• Intel Transactional Synchronization Extensions New Instructions désignent un ensemble d’instructions axées sur l’échelonnage des performances multithread. Cette technologie permet d’améliorer l’efficacité des opérations parallèles grâce à un meilleur contrôle du verrouillage des logiciels.
• Inte Stable Image Platform : peut aider votre entreprise à identifier et à déployer des plates-formes informatiques d’images stabilisées standardisées pendant une durée minimale de 15 mois.
• Intel SpeedStep améliorée est un moyen sophistiqué de permettre des performances élevées tout en répondant aux besoins des systèmes mobiles en conservation de l’énergie. La technologie Intel SpeedStep classique permute ensemble la tension et la fréquence entre des niveaux élevés et faibles en fonction de la charge processeur. La technologie Intel SpeedStep améliorée s’appuie sur cette architecture et utilise des stratégies de conception telles que la séparation entre les changements de tension et de fréquence, et le partitionnement et la récupération d’horloge.
• Intel de protection de l’identité est un jeton de sécurité intégré qui fournit une méthode simple et inviolable pour protéger l’accès aux données en ligne relatives à votre entreprise et vos clients contre les menaces et la fraude. Cette technologie s’appuie sur le matériel pour identifier de manière unique le PC d’un utilisateur et prouver aux sites Web, institutions financières et services réseau que la tentative de connexion ne provient pas d’un logiciel malveillant. La technologie Intel de protection de l’identité peut être un composant clé des solutions d’authentification à deux facteurs pour protéger vos informations lors de la connexion à des sites Web et des réseaux d’entreprise.
• Intel SGX (Intel Software Guard Extensions) fournit aux applications la capacité de créer une protection d’exécution fiabilisée matérielle pour les routines et données essentielles de leurs applications. L’exécution runtime est protégée contre l’observation ou la modification par tout autre logiciel (y compris les logiciels privilégiés) d’un système.
• Intel Device Protection avec Boot Guard contribue à protéger l’environnement pré-SE du système contre les attaques de virus et de logiciels malveillants.

Pour tout savoir des Intel Core, lire cet article :

AMD

Les technologies AMD :

• AMD GuardMI : La technologie AMD GuardMI assure une protection permanente, de la mise sous tension à la mise hors tension, grâce à un puissant coprocesseur de sécurité intégré dans chaque CPU AMD Ryzen™ PRO.
• AMD Turbo Core équivalent de Intel Turbo Boost
• AMD-V ou AMD SVM équivalent de Intel VT.
• AMD SMT est l’équivalent de l’Hyper-Threading Intel.

Les processeurs AMD utilisent aussi la technologie chiplet est une méthode innovante de conception des processeurs qui divise un processeur en plusieurs composants ou chiplets interconnectés, au lieu de créer un monolithe unique. Chaque chiplet est conçu pour effectuer des tâches spécifiques, comme gérer les cœurs CPU ou les interfaces d’entrée/sortie (E/S). Cette approche est devenue une pierre angulaire des architectures modernes, notamment dans les processeurs AMD Ryzen et Threadripper.

Pour ce qui est des SKU et dénominations et gammes de processeurs AMD Ryzen :

Différence coeurs logiques et physiques

Un processeur n’est capable que d’effectuer une seule tâche à la fois en gérant une seule file d’attente (thread).
Pour accélérer le traitement des instructions, on tente alors de faire exécuter plusieurs instructions en parallèle grâce à des cœurs logiques et physiques.
Lorsqu’un processeur possède plusieurs coeurs, on parle de Processeur multi-coeurs (Multi-core processor).

Les coeurs physiques

Les coeurs physiques du processeur sont un découpages en plusieurs puces dans le processeur.
En effet, la file d’attente des instructions à exécuter seront réparties sur chacun des coeurs.
Il faut que les applications soient codées de manières à utiliser ces coeurs.

Notamment la fréquence du processeur et le nombre de coeurs.
Il faut aussi comprendre que la vitesse nominale du processeur est divisée par le nombre de coeurs.
Un processeur à 3.60 GHz  avec 8 coeurs aura une vitesse pour une tâche de : 3,60/8= 450 Mhz.
Si vous avez un processeur 4 cœurs physiques cadencés à 2,5Ghz, vous aurez en réalité 2,5/4 = 625Mhz.
Ainsi, le processeur à 2,5 Ghz sera plus rapide pour accomplir une seule tâche mais moins vite pour accomplir plusieurs tâches en même temps.

Les coeurs du processeur sont aussi abordés sur la page :

Les coeurs logiques

Les coeurs logiques sont un découpages d’un coeurs physiques en deux par la technologie SM (HyperThreading chez Intel et AMD SMT).
Ce dernier pourra alors gérer deux files d’attente au lieu d’une seule.
Le but est d’utiliser un coeur à son maximum en s’assurant que ce dernier est toujours occupé.
Il s’agit donc d’une optimisation de la file d’attente (thread).

Comme un coeurs physiques possède deux coeurs logiques, il est assez faciles de savoir qu’un processeur 4 cœurs aura 8 coeurs logiques.

Ci-dessus, une capture d’écran du moniteur de ressources systèmes où on voit à droite tous les coeurs logiques du processeur.

Fiches techniques du processeur achat ordinateur

Lorsque vous achetez un ordinateur, les fiches techniques donnent des informations sur les composants de l’ordinateur (processeur, carte mère, carte graphique, type de disque et capacités, etc).
Du côté du processeur, on trouve généralement les informations suivantes :

• Génération et type du processeur, exemple : Intel Core i5 avec le nombre de coeur et la quantité de mémoire cache
• La fréquence du CPU, exemple : 3,5 GHz