Les processeurs, des transistors aux milliards de transistors

Quelques transistors forment une porte logique : ET (vrai si les deux entrées valent 1), OU, OU exclusif (vrai si une seule entrée vaut 1). Cinq portes forment un additionneur complet, qui additionne deux bits et la retenue venue de la droite. En chaînant huit additionneurs, on additionne deux nombres de 8 bits, exactement comme à l'école : colonne par colonne, de droite à gauche, en propageant la retenue. Chaque porte met un petit temps à réagir, le délai de porte ; regardez la retenue se propager.

En 1965, Gordon Moore, futur cofondateur d'Intel, remarque que le nombre de composants sur une puce double chaque année ; en 1975, il corrige : tous les deux ans. Cette « loi », qui est une observation et un objectif que l'industrie s'est donné, a tenu un demi-siècle, grâce à une gravure toujours plus fine. Comparez les trois courbes : le nombre de transistors, la fréquence d'horloge et la finesse de gravure.

Un processeur moderne commence une instruction à chaque cycle, bien avant d'avoir fini les précédentes (c'est le pipeline). Mais devant un branchement conditionnel, « si … alors sauter », il ne sait pas encore quelle sera l'instruction suivante. Plutôt que d'attendre, il parie, puis annule le travail s'il s'est trompé, ce qui coûte 15 à 20 cycles sur un processeur actuel. Six stratégies de pari sont essayées ici sur les branchements réellement exécutés par quatre programmes RISC-V, relevés par l'émulateur QEMU.

Faute de pouvoir augmenter la fréquence, les fabricants placent depuis 2005 plusieurs processeurs complets, les cœurs, sur une même puce : 2, puis 4, 8, et jusqu'à près de 200 dans les serveurs. Les processeurs graphiques (GPU) vont plus loin, avec des milliers de petits cœurs. Mais un programme n'en profite que si son travail peut être découpé. En 1967, Gene Amdahl a montré que la partie qui reste séquentielle limite le gain, quel que soit le nombre de cœurs.

Conçu par Chuck Peddle et Bill Mensch chez MOS Technology et vendu 25 dollars en 1975, quand ses concurrents coûtaient plusieurs fois plus cher, le 6502 a fait naître la micro-informatique familiale : Apple II, Commodore 64, Atari, BBC Micro, Oric, console NES. Il ne compte qu'environ 3 500 transistors, trois registres de 8 bits (A, X, Y), un pointeur de pile et un registre d'état. Voici un assembleur et un émulateur du 6502, écrits pour cette page : ils exécutent les 151 instructions officielles, en comptant les cycles d'horloge. Comme sur le site pédagogique easy6502, les octets de $0200 à $05FF s'affichent sur un écran de 32 × 32 pixels.