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Unmicroprocesseur multi-cœur (multi-core enanglais) est unmicroprocesseur possédant plusieurs cœurs physiques fonctionnant simultanément. Il se distingue d'architectures plus anciennes (360/91) où un processeur unique commandait plusieurs circuits de calcul simultanés.
Uncœur (en anglais,core) est un ensemble de circuits capables d’exécuter des programmes de façon autonome. Toutes les fonctionnalités nécessaires à l’exécution d'un programme sont présentes dans ces cœurs :compteur ordinal, registres, unités de calcul, etc. Il peut exister plusieurs niveaux demémoires cache, certaines à l'intérieur de chaque cœur, d'autre partagées entre certains, ou tous les cœurs.
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 àIBM le premier processeur multi-cœur à avoir été commercialisé : il s'agit duPOWER4, en 2001. En 2003,Sun lance l’UltraSPARCIV composé de 2 cœursUltraSPARCIII. 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 desordinateurs personnels en2005[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 processeurCell conçu parIBM,Sony etToshiba. Ce type d’architecture permet d’augmenter la puissance de calcul sans augmenter lafréquence d’horloge, et donc de réduire la quantité de chaleur dissipée pareffet Joule (comme pour les systèmesmultiprocesseurs).
Les premières puces double cœur basées sur l’architecturex86 sont apparues en2005 sur le marché des serveurs (Opterons d’AMD). Elles sont apparues parce qu’en pratique la course auGHz devenait 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 processeursIntel Pentium 4). Elle devait donc faire face à de graves problèmes derefroidissement des circuits[2]. La solution qui a semblé la plus évidente a été de privilégier non plus la fréquence, mais d'accroître la puissance grâce à une architecture parallèle, de façon à pouvoir augmenter le nombre d’opérations exécutées simultanément en uncycle d’horloge.
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 deserveurs par baie, desordinateurs portables plus fins et plus légers, et un encombrement réduit pour les systèmes de bureau. Le traitement multicœur contribue à relever ces défis. Cette évolution technologique augmente les performances et laproductivité dans des ordinateurs de plus petite taille capables d’exécuter simultanément plusieurs applications complexes et de réaliser davantage de tâches en moins de temps.
Un langage commeGo permet de concevoir des programmes qui fonctionneront sans réécriture sur un nombre quelconque de cœurs.
Il existe actuellement plusieurs architectures de processeurs multi-cœurs. Outre les modèles d’Intel et AMD déjà cités,Sun Microsystems a développé sa gammeNiagara etNiagaraII ;IBM a développé sa gamme dePowerPC et sa ligneCellBE, commercialisée parIBM sous forme deserveur lame, parMercury sous forme de châssis renforcé. Le tout premier processeur double cœur poursmartphone lancé parNvidia fut leTegra 2 lancé en 2011.
L’industrie cherche dans le même temps à multiplier le nombre de cœurs présents sur un processeur, par exempleIntel dans son projetTera-Scale.
En février 2020, lors de laconférence internationale des circuits à semi-conducteurs deSan Francisco, leLaboratoire d'électronique et de technologie de l'information y présente un processeur à 96 cœurs[3],[4].
Tout processeur actuel contient des mémoires caches, qui rendent les accès à la mémoire plus rapides. Sur les processeurs multicœurs, l'organisation de ces mémoires caches est adaptée à la présence de plusieurs cœurs. Deux grandes organisations de base sont utilisées : celle à base de caches dédiés à chaque cœur, et celle à base de caches partagés.
Dans le cas des caches dédiés, chaque cœur possède son propre cache, que lui seul peut utiliser. On trouve donc un cache pour chaque cœur.
Avec les caches partagés, la mémoire cache est partagée entre tous les processeurs, qui peuvent y accéder de façon concurrente.
L'organisation à base de caches dédiés a quelques avantages :
Mais l'organisation à base de caches partagés a aussi des avantages :
Toutefois, quelques inconvénients des caches partagés sont à signaler :
Dans la réalité, compte tenu de ces contraintes, tous les caches du processeur ne sont pas partagés. Ceux qui ont besoin d'une faible latence (cache L1) sont des caches dédiés, tandis que les autres sont partagés (L2, L3).
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. En effet, l'augmentation de fréquence d’un processeur cause rapidement des problèmes de surchauffe, lerefroidissement à air (ventilateur) n'étant plus suffisant. Pour lutter contre cette surchauffe, il faut passer à unrefroidissement par eau délicat et onéreux, ou bien passer à desventilations de plus grande taille et vitesse, créatrices de nuisances sonores. D'autre part le besoin croissant en énergie des microprocesseurs était problématique notamment pour les ordinateurs portables.
L'autre problème est la vitesse de propagation des signaux ainsi que leur fréquence de fonctionnement, limitée respectivement par lavitesse de la lumière et par les effets de bord à haute fréquence (le bruit et le signal commençant à se mêler). Les processeurs monocœurs les plus puissants utilisés dans les ordinateurs de grande distribution ont des fréquences ne dépassant pas en général, les 3 à 4 GHz, car au-delà la température devient trop importante. Dans les salons de technologie, des processeurs sontsur-cadencés grâce au refroidissement à l'azote liquide (température négative).
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 plus basse, et de consommation électrique réduite. Le processeur ne rencontre pas les problèmes d’alimentation et de surchauffe de son homologue monocœur : la puissance dissipée double quand on double les cœurs, alors qu'elle serait quadruplée si on doublait la fréquence d'horloge.
En plus de ces avantages purement techniques, il s’avère que ces microprocesseurs sont également bien plus efficaces dans le traitementmultitâche. Sur les systèmes mono-cœurs, le système d'exploitation change régulièrement le programme en cours d’exécution pour passer d'un programme à un autre. Ces changements sont très rapides, et ne sont donc pas visibles par l’utilisateur, qui a l'impression que plusieurs programmes s’exécutent en même temps. Sur les systèmes multi-cœurs, 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.
La notion d'affinité processeur (processor affinity) permet de lier une application ou la gestion d'un périphérique à un cœur donné pour obtenir une meilleure réactivité (clavier, souris...). Cela permet de limiter des ralentissements d'exécution dû à un trop grand nombre de migration d'une tâche entre les cœurs, qui implique des reprises de contextes d'exécution coûteux en temps d'accès mémoire.
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.
En2006, très peu de logiciels gèrent le bi-cœurs, et globalement leslogiciels ne sont pas conçus pour tirer le maximum de cette technologie (excepté dans le mondeGNU/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 sont nettement améliorées dans les applications gourmandes telles que lesjeux vidéo.
Ces mises à jour touchent également lessystèmes d’exploitation, qui peuvent diviser par eux-mêmes les calculs effectués par les logiciels qu’ils exécutent. La technique multicœur est alors utilisable même avec des logiciels non adaptés à ce type de traitement, cette utilisation étant cependant moins performante que si le logiciel indique lui-même 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 être exploités à plein potentiel.
L'industrie 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 privées à base de microcode et de picocode.6WIND (en) a été la première société à fournir du logiciel réseau embarqué optimisé pour ces architectures multi-cœurs.
La programmation parallèle bénéficie également du passage à plusieurs cœurs. Des modèles de programmation commeOpenMP,MPI ouOpenHMPP peuvent être utilisés sur ces plates-formes multi-cœurs. D’autres efforts de recherche sont également menés, par exemple le systèmeSieve de l'éditeurCodeplay (en), les langagesChapel deCray,Fortress deSun etX10 d’IBM.
