Entre la miniaturisation, la puissance et le prix. Voilà trente ans que les fabricants de microprocesseurs redoublent de génie pour valider l’incroyable équation. Toujours présente à leur esprit, la fameuse loi de Moore : parce que leur taille réduit sans cesse, le nombre de transistors sur une puce double tous les dix-huit mois. Plus le transistor est petit, plus les circuits et les interconnexions sont courts, et plus les informations passent vite. La puce consomme moins d’énergie et coûte moins cher à fabriquer, puisque l’on peut en produire davantage par plaque de silicium. Cette équation magique a permis de battre record sur record. Jugez plutôt : depuis le lancement en 1971 de la première puce commerciale, l’Intel 4004, la vitesse d’horloge a été multipliée par vingt mille, le nombre de transistors par dix-huit mille, et la puissance de calcul par un million. Si les mêmes progrès avaient été appliqués à la voiture, nos moteurs seraient plus petits qu’une boîte d’allumettes. Ils culmineraient à plus de deux cent mille chevaux et ne consommeraient que quelques centilitres d’essence… aux mille kilomètres.
Des limites physiques à la réduction
Jusqu’ici, il suffisait de perfectionner le processus de fabrication des puces pour coller à la loi de Moore. Tous les deux ans, en effet, les progrès autorisent une réduction des circuits de l’ordre de 30 %. Le Pentium III a ainsi commencé sa carrière avec une finesse de gravure de 0,25 micron. Elle est d’aujourd’hui de 0,13 micron sur les derniers modèles. Dans l’opération, la fréquence est passée de 450 MHz à 1 GHz. Mais ces réductions successives ne pourront tenir éternellement. A l’horizon 2005, la miniaturisation sera telle que l’on atteindra les limites physiques des matériaux. Les industriels travaillent donc d’arrache-pied pour découvrir d’autres solutions. La première consiste à trouver comment réduire les transistors. Avec le procédé lithographique actuel, certains éléments vont rapidement devenir plus petits que la longueur d’onde de la lumière (autour de 0,1 micron). A cette taille, il devient impossible d’utiliser de la lumière pour projeter le “négatif” des transistors. On compte donc beaucoup sur les ultraviolets : avec une longueur d’onde de 0,01 micron, ils permettraient de voir venir au moins jusqu’en 2011.
Des matériaux expérimentaux pour remplacer le silicium
Réduire la taille de la puce procure un autre avantage : pouvoir incorporer davantage de transistors ?” et donc de fonctions ?” dans un même espace. Des éléments qui étaient auparavant disséminés dans le système peuvent ainsi être rapatriés au sein d’un processeur ?” par exemple un coprocesseur mathématique, un décodeur multimédia, ou un contrôleur mémoire. Avantage : on limite les goulets d’étranglement, puisqu’il n’y a plus à quitter l’environnement très rapide du processeur pour la plupart des traitements. Autre intérêt : la multiplication des transistors peut permettre d’optimiser le fonctionnement interne du processeur ?” par exemple, en traitant en parallèle plusieurs instructions par cycle d’horloge. C’est un mode de fonctionnement dit superscalaire, qui est repris par la plupart des microprocesseurs actuels. Reste qu’il n’est pas toujours utile de réduire la taille des transistors pour gagner en performance. Une autre solution consiste à utiliser du cuivre au lieu de l’aluminium pour plaquer les circuits. Le cuivre étant meilleur conducteur, il offre moins de résistance électrique et permet à la puce d’augmenter sa fréquence de 20 à 30 % à procédé de gravure identique. Les laboratoires de Texas Instruments veulent aller plus loin en combinant le cuivre avec un matériau expérimental, appelé xerogel, pour doper encore les performances. Autre axe de recherche : trouver un matériau plus “rapide” que le silicium. Sur ce terrain, IBM a fait un énorme pas en rendant commercialement viable une technique connue sous le nom de silicon-on-insulator (SOI). Avec ce procédé, les composants du microprocesseur sont placés non pas sur le silicium, mais sur un isolant en verre. On obtient ainsi un signal plus pur en évitant les parasites et la fuite des électrons. Au final, le silicium fonctionne à une température plus basse et accepte des tensions supérieures. On peut gagner de 20 à 30 % de performance en augmentant la fréquence. Ou réduire la consommation de 65 % à fréquence équivalente. Si, jusqu’ici, la plupart des progrès étaient à mettre sur le compte de la physique, les constructeurs profitent désormais de leur expérience des logiciels et des architectures systèmes pour dépasser la loi de Moore.
Le parallélisme selon IBM et selon Intel
Ces deux dernières années, les approches radicales se sont même multipliées. Résultat, les gains ne sont plus progressifs, mais quantiques. Pour l’Itanium, par exemple, Intel a choisi de revoir totalement le fonctionnement interne du processeur. Dans une architecture traditionnelle, les informations sont traitées de façon séquentielle par le processeur. A charge pour lui, ensuite, d’éclater les traitements afin de permettre leur exécution en parallèle. L’Itanium adopte une approche totalement différente : c’est le compilateur qui mâche le travail et optimise l’exécution simultanée des portions du programme. Le parallélisme est alors qualifié d’explicite ?” Explicitly Parallel Instruction Computing, ou Epic.Avec cette technique, l’Itanium est capable de traiter jusqu’à vingt opérations par cycle d’horloge, contre moins d’une dizaine pour un processeur classique. Le processeur est aussi plus simple, puisqu’il n’a pas à gérer d’étape de conversion des instructions. Son fonctionnement est enfin beaucoup plus rapide lors de certaines opérations, comme les boucles ou les tests. Toutefois, ces performances dépendent énormément de la qualité du code généré. Un compilateur Epic doit, en effet, parcourir une grande portion de programme pour découvrir les portions à paralléliser. Une opération délicate, qui oblige souvent le développeur à modifier ses applications pour tirer la quintessence du processeur.Avec le Power 4, annoncé en novembre 2000, IBM a pris un tout autre chemin. Sa théorie est la suivante : au-delà d’un certain point, il devient difficile d’augmenter les performances en travaillant sur le parallélisme des instructions. En revanche, deux processeurs fonctionnant en parallèle peuvent améliorer la performance de l’ensemble de façon quasi linéaire s’ils partagent suffisamment bien leurs informations. IBM a donc choisi d’accoler deux processeurs sur une même puce. Cela afin de créer un processeur optimisé pour les traitements multiprocesseurs. Une approche originale qui prend aussi en compte l’environnement applicatif du processeur. Comme les systèmes d’exploitation sont déjà optimisés pour un fonctionnement multiprocesseur, il n’y a pas à toucher aux applications, ni au compilateur. Quant à la montée en puissance, elle s’effectue par ajout de modules supplémentaires, comme avec les grands systèmes. IBM a d’ailleurs poussé l’exploit jusqu’à placer quatre de ces “biprocesseurs” dans un seul module, soit l’équivalent d’un octoprocesseur Power PC dans 11 centimètres carrés .Difficile de savoir qui ?” d’Intel ou d’IBM ?” a raison. D’un côté comme de l’autre, les performances prévisibles sont impressionnantes : tant l’Itanium que le Power 4 surpassent ?” sur le papier ?” tous les records établis. Le premier en vitesse de calcul sur les nombres à virgule flottante, le second sur les traitements transactionnels. Et si l’on en croit les carnets de route des deux fondeurs, le meilleur est à venir. Dès l’année prochaine, Intel lancera une version de l’Itanium à 2 GHz (McKinley) trois fois plus rapide que l’actuelle. Quant à IBM, il prépare un Power 4 non plus bi, mais quadriprocesseur. Les records n’ont pas fini de tomber.
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