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5. Les microprocesseurs pour PC

1. Introduction - 2. 8088 et 8086 - 3. 286 - 386 - 486 - 4. Pentium, Pentium MMX, K6-2 et K6-3 - 5. Pentium II - Pentium III et Celeron - 6. Pentium III Coppermine - 7 - AMD Athlon, Duron et Thunderbird - 8. Pentium IV - 9. Pentium 4 EE - 10. Sempron - 11 Microprocesseurs 64 bits - 12. Athlon 64 bits d'AMD - 13. Intel Core, Core 2 et Core 2 Duo - 14. Intel I7 - 15. Intel I5

Cette partie est découpé en 4 parties:

• les microprocesseurs PC pour ordinateurs bureautiques: historique et processeurs actuels, leur technologie.
• les processeurs spécifiques pour portables
• les microprocesseurs serveurs (Pentium Pro, Xeon, Itanium et Opteron)
• le Dual-Core.

Le processeur (microprocesseur) est le composant hardware le plus connu d'un ordinateur. C'est l'unité de traitement des informations. De lui-même, il est incapable d'exécuter une action, quelle qu'elle soit. Son travail se limite à lire des programmes (des suites d'instruction en langage assembleur), à les décoder et à les exécuter. Il ne prend donc aucune décision, se contentant d'exécuter "bêtement" ce qu'on lui demande. C'est le programme, par des instructions conditionnelles, qui se charge de "l'intelligence" des ordinateurs. A son avantage, il exécute ces tâches sans erreur et très rapidement. Pour une introduction aux circuits électroniques à base de microprocesseur

Le premier microprocesseur est apparu en 1972 avec le 4004 d'Intel, destiné à un constructeur japonais de machine à calculer. Celui-ci le refuse pour une taille (dimension) excessive. INTEL le met alors sur le marché sans conviction mais avec le succès que l'on sait. Les années 80 voyaient l'émergence de ces circuits avec les Zylog Z80 (compatible au niveau instructions avec le 8080), 6800 de Motorola (dont les suivants ont été utilisés encore par les MAC), le 6500, ... Avec l'arrivée des XT d'IBM et l'utilisation du 8088 (8086 pour les PC compatibles), INTEL devenait le premier fabricant du marché fin des années 80.

Les processeurs de la famille INTEL compatible ont évolués. Avant d'examiner tous les tours de passe que les concepteurs de microprocesseurs utilisent actuellement pour améliorer les performances (structure des microprocesseurs), un petit historique des modèles utilisés dans les ordinateurs PC et de leurs caractéristiques.

2. Le 8088 et 8086.

Premier microprocesseur de la famille PC (Personnal computer), le 8088 (utilisé par IBM concepteur du PC) utilise un bus de donnée interne de 16 bits, mais de 8 bits en externe. Le 8086 (utilisé par les copies du PC XT), totalement compatible au niveau des instructions, possédait un bus de données complètement sur 16 bits. 

Le PC est sorti en 1980 sous la dénomination de XT. Malgré son prix élevé, le XT avait de multiples avantages sur la concurrence.

1. Bus périphérique (des connecteurs pour implanter les cartes) de type 8 bit ISA. C'est ce que l'on appelle un système ouvert.

2. Capacité mémoire extensive par socket. Un commodore 64 incluait d'office 64 MB de mémoires. Le XT pouvait en accueillir 640 MB, même si à l'achat, la capacité était inférieure.

3. Le système d'exploitation n'est pas en mémoire ROM, mais bien implantée sur une disquette. Et voici les réels débuts de Microsoft au niveau systèmes d'exploitation avec le DOS que nous verrons en systèmes d'exploitation.

4. Une large partie des adresses et interruptions dans le PC sont normalisées, y compris pour des périphériques futurs. Avec l'implantation du bus ISA, une plage d'adresse est réservée pour des cartes périphériques, une autre pour la mémoire. Ceci permet de changer de carte écran sans remplacer de PC. 

Comme le schéma électronique de la carte mère était à base de circuits TTL très courants (74LS), les copies de cet ordinateur étaient faciles, c'est ce qu'on appelait les clones et actuellement: produits blancs, OEM, PC assemblés, ...

3. 286 - 386 - 486.

Deux ans plus tard, IBM sort l'AT à base du microprocesseur 286 d'INTEL. De performances supérieures (de 8 à 16 Mhz), le bus de données est totalement 16 bits. Le bus ISA passe également en 16 bits.

IBM implante quelques nouveautés comme une horloge (RTC - Real Time Clock), un BIOS sur EPROM et le Setup, sauvegardés par une batterie. Le bios est le firmware du PC et sert d'interface entre l'électronique du PC et le système d'exploitation. Sauf quelques systèmes d'exploitation UNIX du début des années 80, tous passent par ce BIOS pour récupérer les informations.

La mémoire est également modifiée. Elle n'est plus composée de petits composants que l'on rajoute, mais par un banc de mémoire (barrette) couvrant l'ensemble de la plage mémoire basse de 1 MB, également les zones mémoires réservées dite mémoire haute.

3.1. Le 386.

Sorti en 1991, c'est ici que commencent les réels améliorations de structure. INTEL sort tout d'abord le 386DX à 25 et 33 Mhz. Son bus de données est de 32 bits, en interne et en externe. Comme son prix est élevé et les mémoires Ram chères, Intel sort une version réduite du processeur, le 386SX avec un bricolage identique au 8086, bus de donnée interne de 32 bits, mais externe de 16 bits. AMD sort son premier processeur 386DX avec un peu de retard, cadencé à une fréquence de 40 Mhz, totalement compatible avec le 386 d'INTEL.

Les cartes mères avec une mémoire cache externe L2 font leur apparition. Cette mémoire tampon plus rapide que la mémoire normale conserve les lignes de programmes et données les plus utilisées pour les renvoyer au processeur plus rapidement, ce qui améliore les performances.

Ce processeur utilise 3 modes de fonctionnement

• Mode Réel (Real): le processeur travaille comme un simple 8088, méthode identique au 286.

• Mode protégé (protected): le microprocesseur peut utiliser toutes les possibilités des 80286, plus les instructions spécifiques du 386 avec un adressage mémoire jusqu'à 4 GB

• Mode virtuel (virtual), émule plusieurs sessions de 8086, utilisé à partir de Windows 95.

Intel propose également un processeur spécialisé pour les 80386, le coprocesseur mathématique 80387 (spécialisé en virgule flottante) qui augmente les performances pour les jeux, dessin technique, ...

3.2. Le 486.

INTEL sort le 486 de type DX avec un socket 1 le premier avec le coprocesseur mathématique directement implanté dans le microprocesseur. Le cache L2 externe plafonne à 256K. La fréquence débute à 33 Mhz, pour atteindre 50 Mhz. Pour réduire les prix, INTEL sort le 486SX: identique au 486DX, mais sans coprocesseur mathématique intégré. Avec le 486, INTEL prend le dessus avec son co-processeur mathématique et donc des performances

Lorsque AMD arrive avec un 486 à 40 Mhz, INTEL propose le premier processeur multiplicateur, le 486DX2-66. Ces processeurs utilisent un multiplicateur interne, pour tous les processeurs suivants il sera externe. Sauf pour les tensions d'alimentation éventuellement et types (marque), vous pouvez directement remplacer un 486 DX33 par un 486 DX2-66 (la vitesse externe reste à 33 Mhz). Pour les 486DX4-100 où l'on pouvait utiliser 33 X 3, 40 X 2,5 ou 50 X 2, le choix se fait obligatoirement sur la carte mère. Attention, un DX4-100 d’Intel ne peux pas être remplacé directement par un DX4-100 de Cyrix ou d’AMD.

Depuis les 486DX2, les processeurs utilisent donc 2 fréquences, une interne (sa fréquence de référence) et une externe pour les bus, appelée FSB (Front Side Bus). La tension d'alimentation n'est plus de 5 V, mais passe à 3,3V. Les autres modèles sont DX2-50, DX2-66, DX4-80 et DX4-100.

Depuis les 486 DX2, tous les microprocesseurs modernes doivent être montés avec ventilateur. Les ordinateurs de marque utilisaient souvent de simples radiateurs jusqu'aux Pentium à 120 Mhz.

Le bus VLB fait son apparition, c'est une extension de quelques broches du processeur 486 sur un connecteur ISA, incompatible avec les Pentium et autres.

4. Les Pentium (MMX), K-6, K6-2, K6- Cyrix 6X86

La principale caractéristique du Pentium d'Intel par rapport à ses prédécesseur est l'implantation d'une mémoire cache interne L1 de 8 KB pour les programmes et 8 KB pour les données directement dans le processeur.

Suit directement en juin 1994 la sortie d'un microprocesseur avec une architecture interne révolutionnaire, le NexGen 586. Ses instructions sont totalement compatibles avec celles du Pentium, ses performances plus rapides mais pas le socket (brochage). Les cartes mères sont difficiles à trouver et finalement la firme disparaît, rachetée par AMD qui appellera son premier "Pentium" AM5X86. Il est équivalant en performance mais utilise des cartes 486. AMD poursuivra avec le K5 compatible broche à broche (et donc carte mère) avec le Pentium, suivi du K6 et Cyrix le 586. Le K5 n'est pas très performant et sera vite remplacé par le K6, développé sur base du Nexgen 586.

Les Pentium 60 et 66 Mhz utilisent un socket spécial, les suivants utiliseront le socket de type 7.

De nouveau, il va falloir utiliser des facteurs de multiplication entre la vitesse interne et celle externe (FSB). Au contraire des 486 DX2-66, le multiplicateur doit être signalé sur la carte mère. La fréquence externe est liée à la vitesse des DIMM de l'époque (66 Mhz maximum). En cas de choix, plus la vitesse externe est rapide, plus le PC sera rapide. Par exemple, pour un Pentium 100: un PC configuré en 1,5 X 66 sera plus rapide qu'en 2 X 50.

Les fréquences réelles, FSB et multiplicateurs sont repris sur la page Caractéristiques des processeurs socket 7

En mai 1997, INTEL rajoute des instructions supplémentaires dans son microprocesseur et l'appelle le Pentium MMX. Elles sont notamment dédiées à la compression, même si elles sont répertoriées comme "MULTIMEDIA", terme publicitaire à la mode à l'époque. En même temps, le Pentium comportait un cache L1 de 16 K, le Pentium MMX de 32 K (partagé pour moitié entre les données et les programmes). AMD rajoute les mêmes instructions dans son K-6. Les fréquence des Pentium MMX sont 166 Mhz, 200 et 233 Mhz

AMD continue avec le K6-2 avec le même socket qui ajoute 21 autres nouvelles instructions (3Dnow, implanté dans directX 5.0 de Microsoft) pour concurrencer le Pentium II et un cache L3 en août 1999 dans le K6-3. Le K6-3 utilise un cache L1 de 64K et un cache L2 de 256K à la fréquence du processeur. Comme pour tous les processeurs sockets 7, le cache L2 est néanmoins toujours intégré sur la carte mère, ce qui sera le Cache L3

Les Pentium MMX, K6 (équivalents aux MMX), K6-2, K6-3 et MII de Cyrix utilisent toujours le socket 7 avec une évolution vers le supersocket 7, compatible montant qui accepte des fréquences supérieures.

5. Les Pentium II – CELERON et PENTIUM III.

Alors qu'AMD prépare le K6-2, INTEL sort le PENTIUM II:

• le cache L2 n'est plus implanté sur la carte mère mais directement géré par le processeur et implanté sur son boîtier. La fréquence du cache est la moitié de celle du microprocesseur.
• nouveau connecteur pour l'insérer sur la carte mère, le slot one. Ce socket est remplacé mi-2000 par les 370 (Celeron) et FC-PGA (Pentium III). Des adaptateurs permettent le passage d'un slot one à un socket 370 PPGA / FC-PGA avec des incompatibilités si les marques adaptateurs - cartes mères sont différentes. Le FC-PGA est identique au 370, avec juste quelques broches supplémentaires.
• son architecture est totalement RISC

Avec les Pentium II à 233, 266 et 300 Mhz (FSB de 66 Mhz), le chipset utilisé est le 440LX (440FX pour les tous premiers modèles) qui gère les Ram Dimm à 66 Mhz, le bus AGP pour carte graphique, et les disques durs Ultra-ATA à 33 MB/s. Le bus USB 1.1. fait son appaition

Quand INTEL abandonne les PENTIUM MMX, les Pentium II sont trop chères, la firme sort le CELERON pour les PC de bas de gamme. Les premiers modèles n'incluent pas de cache L2, avec des performances très faibles. Les modèles suivants en intègrent 128K (moitié), mais à la même fréquence que le processeur. Ces versions de CELERON peuvent être utilisées en bi-processeur (même vitesse et si possible, même lot de fabrication).

Les modèles Pentium II suivant sont de 333 (mars 1998), 350, 400, 450, 500 Mhz, ... avec un FSB (vitesse externe) de 100 Mhz. Le chipset dédié est le 440BX qui gère la mémoire Dimm à 100Mhz (VIA sort l'Apollo P6 qui gère en plus la norme ultra DMA/66 pour 33 au 440BX).

Sorti début 1999, les PENTIUM III (Katmai) sont identiques au Pentium II (toujours Slot 1) mais intègrent 70 instructions multimédia supplémentaires (SSE). Ces fonctions permettent d'obtenir plusieurs résultats en une seule instruction.

6. Microprocesseur INTEL Pentium III Copermine

Avec la sortie fin 1999 du chipset CAMINO 820i, les PENTIUM III coppermine sont gravés en 0,18 microns, utilisent les mémoires Dimm 133 (via une interface) et les DRDRAM (Rambus) à 300 (PC600, 1,6GB/s) et 400 Mhz (PC800). Le VIA Apollo Pro 133 gère les SDRam 133 Mhz, les performances augmentent de 4 à 7 % par rapport à un INTEL 440 BX selon le type de Ram (2 types de mémoires 133 sont proposées, les PC133 et les VCM133 qui gèrent mieux les temps d'attente et sont plus rapides).

INTEL sort en même temps 4 versions du même microprocesseur, selon la taille de la gravure et la vitesse du bus extérieur. Voici par exemple les caractéristiques d'un Pentium III à 600 Mhz suivant la lettre accolée au code:

Toutes les versions n'existent pas. Les PENTIUM III gravés en 0,18 microns (COPPERMINE) exploitent une mémoire L2 de 256K mais à la même vitesse que le processeur, pour 512k, mais à la moitié de la vitesse, pour ceux gravés en 0,25 microns (anciens). Ceci donne un taux de transfert de 9,6 GB par seconde pour un PE III E (ou EB) en 256 bits pour 2,4 GB/s en Pentium III 600 normal qui fonctionne en 128 bits avec la moitié de la fréquence. Les copermine à 133 Mhz sont interfaçables par le i820 d'INTEL. Celui-ci n'accepte pas les Dimm 133 Mhz, mais les RamBus nettement plus chères dans les versions FSB 133.

Le dernier core est le Tualatin, développé en version station de travail (1 à 1,33 Ghz) avec cache L2 On died de 256 KB et la version Pentium III S (serveur, avec 512 KB de cache L2), seule version de Pentium III officiellement multi-processeur SMP.

5.10. L'Athlon, Duron et Thunderbird d'AMD

Sorti en mai 1999, ce microprocesseur est le premier de la génération 7. L'Athlon prend pour la première fois la tête vis à vis des Pentium III en performance. Il intègre 22 millions de transistors contre 9,5 millions pour un Pentium III Katmai.

Quelles sont les caractéristiques de l'Athlon par rapport au Pentium III et au précédents AMD: tout d'abord 3 unités de calcul en nombres réels (virgule flottante), pour 2 pour les Pentium II et III (1 seule pour les anciens AMD). Si l'unité installée dans les Pentium a toujours été supérieure à celle des K6, les 3 unités des Athlons sont chacune du niveau des Pentium III. De plus, les 2 unités des Pentium III ne peuvent pas travailler en même temps, les 3 de l'Athlon, oui!

La deuxième différence vient des caches intégrés au processeur:

• Cache L1 de 32 kB pour les Pentium III, 128K pour l'Athlon
• Cache L2 débute à 512 KB jusqu'à 8 GB pour l'Athlon, à comparer avec les 512k pour les Pentium II et III (128K pour les Celeron). 

Une autre différence est la fréquence du bus externe. Les Pentium III sont limités à 100 et 133 Mhz en bus externe, l'Athlon utilise la technologie Alpha EV6 de Compaq (utilisée par les processeurs Alpha) pour accepter des bus externes à 200 Mhz (flancs montants et descendants sur 100 Mhz), mais ne gère que des mémoires PC133 (mémoires Dimm). C'est le passage aux mémoires DDR (double data Rate) qui permet réellement aux Athlons de tourner à plein régime.

Les premiers Athlon utilisent le Slot A, d'apparence identique au Slot 1 d'INTEL mais les signaux (et donc les cartes mères) sont différents. Le Slot A (AMD) et le Slot One ne sont pas compatibles.

5.10.1 Evolution

Mi-2000, AMD remplace le slot A par le socket 462 (socket A) et propose 2 versions de l'Athlon: le Duron et le Thunderbird.

Le Duron est une version bon marché et utilise un cache L1 de 128 K et un cache L2 de 64 K à la même fréquence que le microprocesseur. Le Thunderbird utilise également un cache L1 de 128K, mais le cache L2 est doublé à 256K, aussi à la même vitesse que le processeur. Ces processeurs utilisent un bus externe cadencé à 100 Mhz DDR (Double Data Rate, X2) qui correspond dans la pratique à 200 Mhz. Le modèle C de l'Athlon (vitesse de 1 à 1,4 Ghz) utilise un FSB de 133 Mhz

Courant 2001, l'Athlon Thunderbird est remplacé par l'XP (nom du Core Thoroughbred) avec une architecture interne différente, garantissant moins d'échauffement, avec une protection contre la surchauffe. Le cache L2 reste à 256 KB avec 52 nouvelles instructions complémentaires appelées 3D Now Professionnal.  Le bus externe (FSB) des XP passe à 133 Mhz. Nous verrons que la vitesse n'est plus la seule mesure des performances. Depuis les XP, la vitesse effective des processeurs n'est pas celle sur la quelle ils sont vendus mais celle équivalente des processeurs Intel. En 2002, une version MP (version bi-processeur) est mise sur le marché.

Au troisième trimestre 2002, la fréquence externe est augmentée pour passer à 166 MHz avec les Athlon XP 2,8 Ghz (cadencé en fait à 2,250 GHz). Cette montée provoque quelques problèmes de compatibilité avec les cartes mères à 133 Mhz mais améliore les performances.

Janvier 2003, AMD modifie l'Athlon avec le Core BARTON. Ce nouveau microprocesseur débute à 2500 + (fréquence réelle de 1833 Mhz). Le cache L2 passe de 256 à 512K. Les performances à fréquence réelle équivalente sont forcément meilleure par rapport aux Thoroughbred. Retrouver les caractéristiques des Athlon XP

Les indications de Front Side Bus reprennent la fréquence réelle du bus EV6 qui utilise les flancs montants et descendants de l'horloge. Par conséquent, un FSB de 133 tourne en fait à 266, un FSB de 166 à 333 et un FSB de 200 à 400. Les vitesses externes effectives sont gravées sur l'étiquette sous forme de lettre: C pour 266, D pour 333 et E pour 400.

Les Duron culminant à 1,3 Ghz ont disparus début 2003. Le Sempron remplace les Athlon XP en janvier 2004. Pour les premiers modèles, seule la structure change, ils sont identiques aux Athlons XP. 

5.11. Microprocesseur Pentium IV (fin 2000)

En 2000, Intel sort le Pentium IV, basé sur une nouvelle structure interne, l'architecture Netburst. Comme caractéristiques:

• un pipeline sur 20 niveaux contre 10 pour les Pentium III et Athlon de l'époque. Les derniers modèles montent jusque 31.
• la possibilité d'exécuter des instructions dans le désordre, notamment si les données ne sont pas dans le cache
• Le cache L1 d'instruction reçoit dorénavant jusque 12.000 instructions prédécodées en RISC contrairement aux modèles standards qui conservent des instructions CISC compatibles 8088.

5.11.1. Caractéristiques.

• 42 millions de transistors
• Registres internes toujours en 32 bits.
• Nouveau socket PGA 423 (remplacé mi-2001 par le µPGA 478).
• 144 nouvelles instructions SSE2 gérées par DirectX 8.0
• Unité de calcul modifiée (2 ALU tournant au double de la vitesse interne du processeur, une unité en "Virgule flottante").
• La mémoire cache L2 reste à 256 K (portée à 512 K début 2002) mais est amélioré, la bande passante passe de 14.9 GB /s pour un PIII à 1 GHz à 41.7 GB /s pour un P4 à 1.4 GHz.
• Le cache L1 ne contient plus que 8 KB pour les données mais la partie réservée aux instructions sont maintenant gardées pré-décodées en RISC ("Instruction Trace Cache"). Ce cache programme peut contenir jusque 12.000 instructions, ce qui n'est pas sans conséquences en cas de mauvaise prédiction de branchement.
• La fréquence de bus (externe) est de 200 Mhz, mais passera à 400 début 2002.
• La gravure est de 0,18 µ, passera à 0,15 µ début 2002.

Le SSE (Streaming Simd Extension) date de 1999 avec les Pentium III. Ces 70 commandes en assembleur supplémentaires utilisent la technologie SIMD (Single Instruction, Multiple Data), comme le MMX ou le 3D Now!. Le SIMD permet de traiter en une seule instruction l'équivalent de plusieurs instructions de base. Le SSE 2 ajoute 144 nouvelles instructions, principalement dédiées à la gestion de la mémoire RAM et des cache internes mais aussi à la manipulation de nouveaux types de données (nombres entiers de 128 bits en 1 cycle et nombres réels double précision sur 64 bits en un cycle pour deux données).

Comme le 3D Now! et le MMX, les applications doivent être spécifiquement programmées comme telles pour les utiliser.

Une autre amélioration de l'architecture NetBurst est de pouvoir exécuter des instructions dans le désordre en passant des suites d'instructions dans certaines parties de programmes, le temps qu'une autre unité interne la finisse.

Remarquez le support sur les cotés du processeurs pour le ventilateur de "forte taille" puisqu'il pèse dans les 450 gr.

A gauche le Socket 423, à droite le Socket 478

5.11.2. Evolution

• Mi 2001, INTEL remplace le socket PGA 423 Pin par le µPGA 478 Pin, sans modification de l'architecture interne
• Début 2002, le Northwood est la seconde version du Pentium 4 (P4N). La première version portait comme nom de code Willamette (P4W). Ses caractéristiques sont les mêmes que le P4W, si ce n'est qu'elle utilise une gravure en 0,13µm et possède 512KB de cache L2. Elle n'est disponible qu'au format µPGA socket 478 Cette version apparaît à partir des 2,2 Ghz.
• Début novembre 2002, Intel annonce un changement de tension d'alimentation pour ces processeurs basés sur le core C-1 (0.13µ), qu'ils soient de type Pentium 4 ou Celeron. Au lieu d'une unique tension 1,525V, ces microprocesseurs peuvent maintenant fonctionner en 1,475, 1,5 ou 1,525 Volts.
• Début 2003, le Pentium IV à 3,06 Ghz inclus l'hypertreading qui émule deux processeurs en partageant les instructions à exécuter de manière interne entre les différentes parties dédiées au traitement.
• Mi-2004, le socket 775, un format FPGA, remplace le 478 (un connecteur ZIF). C'est le socket qui inclut les pin dorénavant. Intel en profite également pour changer les notations de ses processeurs.
• En 2005, une version Dual-core, notés Pentium IV D est également sortie. Contrairement au Pentium IV EE, il ne gère pas l'hypertreading

Notations des Pentium IV, mi -2004

• Série 3xx : Celeron D (bus externe de 133 Mhz -533)
• Série 5xx : Pentium 4 avec cache L2 de 1 MB (anciennes versions E), de 2,66 à 3,8 GHz
• série 6xx : Pentium 4 avec 2 Mo de cache de niveau 2, de 3,0 à 3,8 GHz
• série 8xx : Pentium D (Dual Core) avec 2 x 1 MB de cache de niveau 2, de 2,66 à 3,2 GHz
• série 9xx : Pentium EE dual core avec 2 X 2 MB de cache de niveau 2, de 2,8 à 3,73 GHz, FSB800 ou 1066.

En 2006, l'architecture est remplacée par l'Intel Core, moins gourmand en énergie, mais surtout permettant de monter en fréquence. La taille du pipeline est également diminuée, diminuant le temps de latente lors des transferts mémoires.

5.12. Pentium IV EE

Les Pentium IV, même utilisant l'hypertreading ne peuvent résister aux performances des Athlons 64 bits (même en Windows 32 bits). INTEL a donc sorti une version améliorée du Pentium IV fin 2003, le Pentium IV Extreme Edition (désigné sous le core Prescott). Ses performances sont néanmoins inférieures à celles des Athlons 64 bits d'AMD. Ce processeur utilisant un FSB de 800 Mhz est clairement dédié aux joueurs. Utilisant un socket 478, il est donc compatible avec les cartes mères Pentium IV normales FSB800 (même si des incompatibilités sont toujours possibles).

Pour améliorer les performances, le cache L1 dédié aux données est doublé (16 K pour 8 K pour les Pentium IV). Le cache L2 est également amélioré puisqu'il passe de 512 kB  à 1024. Le nombre de transistors passe à 125 millions pour une gravure en 0,09µ.

Ce n'est pas la seule évolution de cette architecture. Le pipeline pour le calculs d'entiers passe de 20 à 31 étages. L'augmentation de la longueur du pipeline a quelques défauts. Comme nous le verrons dans l'architecture des processeurs, lors d'instructions conditionnelles, si le pipeline est chargées d'instructions A, et que l'instruction conditionnelle du programme demande la suite d'instruction B, le pipeline doit être vidé avant de recharger la nouvelle suite d'instructions. INTEL s'est donc attelé à améliorer au sein du Prescot cette prédiction de branchement.

Pour compléter le tableau, le Pentium IV EE intègre le SSE 3, 13 nouvelles instructions. Comme toutes les instructions multimédia, ceci nécessite l'utilisation de programmes recompilés en fonction de ces nouvelles instructions.

Le Pentium IV EE (Extreme Edition) est le haut de gamme des processeurs Intel bureautique. Quasiment toutes les avancées technologiques des serveurs Intel (à part le 64 bits) sont repris dans ce microprocesseur au gré des avancées technologiques. Actuellement (07/2006), deux versions sont disponibles: 

• la version standard avec cache de 2 MB avec une vitesse externe de 1066 avec une vitesse maximum de 3,73 Ghz, avec Hyper-treading

• l'Extreme Edition 965 Dual core avec mémoire cache L2 de 2 X 2 MB et hypertreading. Les autres caractéristiques sont identiques à la version standard. Seul le chipset 975X accepte ce processeur.

5.13. Sempron D'AMD

Sortis en juin 2004, les SEMPRON remplacent les processeurs Athlon XP sur le même socket A (462). Les caractéristiques sont quasiment identiques, seul le core a été modifé. La vitesse est un peu en dessous dans les premières versions. Sauf le 3100 +, ils utilisent le même socket A. Toutes les versions des Sempron passent en socket 754 au quatrième trimestre 2005. Début 2006, les Sempron sont tous remplacés par des processeurs 32 / 64 bits, remplaçant l'Athlon 64 comme processeur bureautique standard. Comme les Opteron et Athlon 64 FX, le Sempron 64 bits utilise l'Hyper-transport pour les communications inter-bridges.

Courant 2006, le Sempron passe à la mémoire DDR-2. Comme le gestionnaire mémoire est intégré au processeur, le socket est donc changé pour l'AM2.

FSB, vitesse des SEMPRON

5.14. Les processeurs 64 bits.

Dans le chapitre "amélioration possible des processeurs", une direction possible a été complètement "oubliée": le passage à des instructions différentes. Les instructions assembleur des processeurs X86 sont de 32 bits maximum depuis le 386. L'évolution est de faire passer le codage de ces instructions 32 bits à 64 bits. Le principal avantage est une utilisation plus faible de la mémoire, les instructions utilisent moins d'octets. Un programme 32 bits prendra 10 lignes de programmation, la même en 64 seulement 6 ou 7 dans les cas les plus courants. Ceci implique moins de données à transférer (utilisation des bus externes) et moins d'instructions à traiter (utilisation interne du microprocesseur). Le défaut, les instructions 64 bits ne sont pas compatibles avec les instructions 32 bits. Ceci nécessite au minimum de recompiler le programme, mais pour la majorité des logiciels standards de le racheter. Les systèmes d'exploitation Windows standard ne sont pas non plus compatibles 64 Bits. Microsoft a créé une version spécifique: Windows XP 64 bits (du moins pour les processeurs AMD).

Le deuxième avantage vient de la quantité de mémoire adressable. En effet, la taille maximum de mémoire RAM que peut utiliser un processeur est de 2³² bits, soit 4 GB (en pratique 3 GB). Ceci est lié à la taille des registres.

INTEL et AMD travaillent chacun sur des processeurs 64 bits. La philosophie est néanmoins différente.

• INTEL a conçu un vrai microprocesseur 64 bits, l'ITANIUM avec de nouvelles instructions en assembleur totalement incompatibles avec les versions 32 bits actuelles. Ceci réduit l'utilisation des Itanium à celle de serveur de très haute gamme. Ces machines doivent concurrencer les systèmes UNIX de Sun notamment et pas les Sempron ou les Pentium IV. Seuls deux versions de 2003 serveur peuvent utiliser ce composant.
• Par contre, AMD développe des processeurs 64 bit pouvant tourner soit en 32 bits, soit en 64 bits. Cette formule hybride est basé sur le MIPS64. Le choix du mode de travail se fait au démarrage du système d'exploitation. Dans ce cas, l'architecture interne a été peu modifiée, les registres internes en 32 bits ont simplement été allonger vers le 64 bits. En mode standard, le processeur travaille comme un standard. S'il passe en mode 64 bits, il va simplement utiliser les registres "allongés", quelques nouvelles instructions spécifiques (notamment liées à l'adressage de la mémoire RAM supérieure à 4 GB), et ne plus reconnaître quelques instructions du 8088 plus utilisées. L'avantage reste l'utilisation de systèmes d'exploitation standards 32 bits, voire une simple recompilation pour les versions 64. Les Athlon 64, Phenom et Opteron utilisent ce principe. En 2006, le Sempron est également passé en 32/64 bits avec le socket 754 + hyper transport 1.1..
• Le XEON 64 bits utilisent le même principe qu'AMD depuis 2004 avec l'architecture NOCOMA, les instructions sont compatibles.

5.15. AMD 64 bits

AMD développe deux microprocesseurs 64 bits: l'Opteron et l'Athlon 64 (la version FX est une amélioration du 64 au niveau cache L2). L'Opteron est la version serveur – station informatique de haute gamme, au même titre que l'Itanium et son successeur l'Itanium II. L'Athlon 64 bits pour stations est sorti en septembre 2003. Ces 2 processeurs acceptent les instruction usuelles 32 bits.

Les principales modifications par rapport à l'architecture précédente viennent du nombre et de la taille des registres (les mémoires de travail internes) qui doivent supporter à la fois les nouvelles instructions AMD64 d'AMD (MIPS64) et SSE II d'INTEL. Les Opteron et Athlons 64 bits sont gravés en 0,13 µ, tout comme les Athlon actuels, et utilisent un socket spécifique de type 940. Le cache L2 passe de 512K à 1 MB. La gestion mémoire n'est plus dévolue au chipset, mais bien directement au processeur qui gère 2 bancs (32 bits) de DDR333.

L'Athlon 64 bits reprend 95 % du core d'exécution d'un Athlon XP avec quelques modifications importantes:

1. Instructions SSE2: permettent de gérer de nouveaux formats de données sur 128 bits comme chez Intel.
2. Les registres internes passent en 64 bits: la première modification est l'ajout de 8 registres sur 128 bits nécessaires aux instructions SSE2. La deuxième vient de l'extension des registres existants en 32 bits à 64 bits. Pour une utilisation sur un Windows standard, seule la partie 32 bits est utilisée. Pour XP et Vista 64 bits (plus quelques versions de 2003 et 2008 serveurs), la partie suivante est également utilisée.
3. Contrôleur mémoire Ram implanté dans le processeur: ce n'est plus le northbridge qui gère la Ram mais directement le processeur. L'avantage est de réduire les temps de latence. Le principal défaut est qu'un changement de type de Ram oblige à remplacer le socket.
4. Contrôleur HyperTransport: le bus inter-bridge permet de relier des processeurs entre-eux mais aussi de les relier avec le northbridge  Le bus Hypertransport offre une bande passante maximale de 6.4 Go/s (version 1.1) par direction, la version 2.0 actuelle accepte jusqu'à 22,4 GB/s par direction.
5. Cache L2 amélioré, profitant notamment des instructions SSE2, mais aussi de la nouvelle architecture. La taille est également augmentée.
6. Le pipeline des calculs entiers passe de 10 à 12 étages (pour 20 en Pentium IV et 31 pour le Pentium IV EE).

Ces processeurs 64 bits AMD sont plus spécifiques serveurs et sont étudiés dans le chapitre Microprocesseurs serveurs - Fréquences et caractéristiques des Athlon 64, FX et opteron.

5.16. Intel Core, Intel Code 2 Duo.

L'architecture Netburst, quoique prometteuse au départ, pose quelques problèmes, notamment un échauffement excessif dès que l'on monte en fréquence. Ceci est lié comme nous le verrons dans le chapitre sur l'architecture des processeurs à la taille du pipeline. En même temps que le Pentium IV, Intel développe le Pentium M, spécifique aux ordinateurs portables. Son architecture est basée sur le vieux Pentium III (remaniée) et lui n'a pas ces problèmes d'échauffement.

En 2006, Intel sort les Intel Core Solo et Intel Core Duo basés sur ce Pentium M. Les fréquences chutent automatiquement (à performances identiques) et Intel change les notations (comme pour les Pentium IV). Différentes séries sont développées pour les ordinateurs portables, mais également pour les ordinateurs bureautiques. Le socket reste le MPGA775 mais sera remplacé plus tard par le socket M (P pour les portables) et pour les derniers socket spécifiques (avec de nouveau une fois un, une fois l'autre: la mauvaise habitude d'Intel

Les série T1XXX (mono-core) et T2XXX (dual-core) sont les versions spécifiques pour ordinateurs de bureau. Le FSB est 667 Mhz, soit moindre que les Pentium IV équivalents de l'époque. Tous ces processeurs incluent la "Virtualization Technology" (rien de bien nouveau puisque c'est la possibilité d'exécuter plusieurs instructions simultanées) mais aussi le SpeedStep (réduction de la vitesse du processeur en fonction de la charge).

Même si ces séries ne sont pas très performantes par rapport aux Pentium IV de l'époque, l'architecture semble prometteuse et permet de sortir une architecture (un peu) modifiée, le Core 2 et Core 2 Duo qui reprend une architecture 32/64 bits. Les notations changent également. La fréquence du bus externe est modifiée en 800, 1066 et même 1333 Mhz pour les plus performants actuellement (avec 4 MB de cache) en mode quadruple - la réelle fréquence est donc respectivement de 200, 266 et 333 Mhz comme pour les Pentium IV de la dernière génération. Comme d'habitude, Intel va développer l'outils marketing pour faire passer ces nouveaux modèles de processeur mais va également au niveau des performances reprendre le dessus sur les Athlon 64 d'AMD.

Fin 2007, pratiquement aucun simple core ne sont fabriqués dans la gamme Intel. Ceci sonne également la fin des Celeron, malgré les versions Celeron D (dual) qui ne sont plus finalement utilisés que pour les portables.

5.17. Intel I7 quadricoeur.

Sorti en 2008, l'I7 série 9XX fait très vite figure d'épouvantail en termes de performances à tel point qu'Intel le laisse quasiment hors prix.

• Comme AMD, le processeur gère directement de la mémoire (DDR3, un nouveau modèle plutôt chère au début) et sur trois canaux au lieu du Dual Chanel pour les concurrents.
• Deuxième modification, l'utilisation d'un cache L3 de 8 MB partagé entre les différents coeurs (4)
• Troisième modification (du moins sur les premiers modèles), le QPI sert de bus externes. Par rapport à l'ancien bus DMI, il est plus performant (4,8 au lieu de 2,5 giga transferts par secondes).
• Quatrième modification, l'hyperthreading est de nouveau intégré.
• Le socket est également remplacé par un LPGA1366.

Ce processeur intègre surtout un mode turbo (Turbo Boost) qui permet d'overclocker automatiquement un ou plusieurs core de 133 Mhz (266 Mhz s'il n'y a qu'un coeur en fonction) si la demande demande de ressources est importante pendant un petit laps de temps (en s'assurant de ne pas griller le processeur, donc avec un contrôle de puissance dissipée, courant utilisé et température du processeur).

Octobre 2009, en même temps que la sortie de l'I5, Intel semble revenir en arrière en reprenant l'ancien bus externe QDI et le socket LPGA1156 pour les séries 8XX. Seule différence avec l'I5, il intègre de nouveau l'hypertreading.

5.18. L'Intel I5.

Courant 2009, Intel avec l'I7 a le plus performant des processeur bureautique du marché (même si le prix en fait plutôt un spécialiste des jeux). Pourtant, AMD glane des parts de marché sur la partie en dessous. Intel sort en octobre 2009 l'I5 (avec quelques modèles I7 comme expliqué ci-dessus). Le bus externe revient donc en DMI mais en gardant la structure de son grand frère (sauf l'hyperthreading mais en gardant le mode turbo avec de l'overclocking un peu inférieur).

Deuxième différence, un port PCI-Express pour carte écran est directement intégré dans le processeur (mais pas dans le P55 qui est le chipset associé). En dernier, il ne gère plus la DDR3 qu'en Dual Channel.

La suite du cours hardware 1 > 5.A. Processeurs dédiés serveurs - 5.B. Technologie Dual-coeur Intel et AMD - 5.C. Processeurs portables

6. Les bus internes PC