Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
Cet article présente l’évolution de l’architecture des ordinateurs, précisant ainsi la place et le rôle des articles de la rubrique «Matériel» de ce traité. Il décrit l’articulation entre la technologie des semi-conducteurs, les concepts architecturaux et les besoins des grandes classes d’applications utilisant ces ordinateurs, qu’ils soient visibles (PC et serveurs) ou non (systèmes embarqués et systèmes mobiles). L’augmentation des fréquences d’horloge liée aux générations successives de technologies CMOS a été déterminante pour les performances jusqu'au début des années 2000, mais le «mur de la chaleur», qui interdit des fréquences supérieures à 4 GHz, a provoqué un tournant vers les architectures parallèles (multi-cœurs, GPU, accélérateurs matériels) pour pouvoir continuer à augmenter les performances.
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This article gives an overview of the evolution of computer architecture, specifying the place and role of each individual "hardware" item. It goes on to show the relationships between semiconductor technology, architectural concepts and the needs of large classes of applications that use these computers, either visible (PCs or servers) or embedded (onboard and mobile systems). Increased clock frequency enabled by successive generations of CMOS technology was the key factor in performance gains until the early 2000s. Now the "heat wall", prohibiting frequencies above 4 GHz, has caused a shift towards parallel architectures (multi-cores, GPU, hardware accelerators) to continue enhancing performance
Auteur(s)
-
Daniel ETIEMBLE : Ingénieur de l’INSA de Lyon - Professeur à l’Université Paris-Sud
INTRODUCTION
Cet article a deux objectifs principaux. Le premier est de donner une perspective d’ensemble de l’évolution de l’architecture des ordinateurs. Cette présentation générale permet de préciser la place et le rôle de chacun des articles particuliers de la rubrique Matériel de ce traité. Le second objectif est de montrer l’influence respective de la technologie matérielle utilisée pour la réalisation des différents composants d’une part et des progrès architecturaux, d’autre part, sur les performances des ordinateurs. Nous montrons notamment les conséquences de l’évolution exponentielle des performances des circuits intégrés CMOS et l’évolution prévisible de ces performances et des architectures dans le futur.
L'expertise technique et scientifique de référence
KEYWORDS
CPU | multi-core | GPU | CMOS technology | heat wall | memory wall
VERSIONS
- Version archivée 2 de févr. 2009 par Daniel ETIEMBLE
- Version courante de févr. 2016 par Daniel ETIEMBLE
DOI (Digital Object Identifier)
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Techniques pour aller au-delà des superscalaires4. Exploitation du parallélisme d’instructions
4.1 Technique du pipeline
La technique du pipeline, qui était déjà utilisée dans les mainframes des années 1950, a permis assez rapidement aux microprocesseurs d’atteindre des performances intéressantes, dès le début des années 1980. Le principe du pipeline est illustré par la figure 4, avec un pipeline à quatre étages. L’exécution d’une instruction nécessite quatre cycles d’horloge, mais comme une nouvelle instruction commence à chaque cycle d’horloge, il y a un débit d’exécution d’une instruction par cycle. Ce pipeline simple donne idéalement un cycle par instruction (CPIopt = 1). Le lecteur trouvera dans l’article [H 705] (référence ) l’examen détaillé des différents cas d’aléas structurels, de contrôle et les dépendances de données qui augmentent légèrement CPI par rapport au cas idéal.
La compétition entre les microprocesseurs RISC, dont les premières réalisations commerciales datent du milieu des années 1980, et les microprocesseurs x86, réalisés principalement par Intel, a été le moteur de la course à la performance. Les jeux d’instructions RISC, caractérisés par des instructions de longueur fixe et le fait que les instructions arithmétiques et logiques ne travaillent que sur des
registres, permettent plus facilement d’utiliser un pipeline efficace avec une fréquence d’horloge élevée. HP-PA, Sparc, MIPS, PowerPC, Alpha sont des exemples de jeux d’instructions RISC utilisés en 2000. Les jeux d’instructions CISC ont au contraire des instructions de longueur variable et toutes les instructions peuvent utiliser des opérandes contenus en mémoire, ce qui rend plus difficile, mais non impossible, la mise en œuvre de pipelines efficaces. Le jeu d’instructions IA32 (x86) est le seul jeu d’instructions CISC qui existe encore en 2000 pour les microprocesseurs d’usage général.
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Exploitation du parallélisme d’instructions
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - HENNESSY (J.-L.), PATTERSON (D.) - Architecture des ordinateurs, une approche quantitative. - International Thomson Publishing, édition française par D. Etiemble 1996.
-
(2) - CHEVANCE (R.-J.) - Serveurs multiprocesseurs, clusters et architectures parallèles. - Eyrolles 2000.
-
(3) - ETIEMBLE (D.) - Structure interne des ordinateurs. - H 705, 06-1993.
-
(4) - ETIEMBLE (D.) - Architecture des ordinateurs. Mémoires et entrées-sorties. - H 707, 09-1995.
-
(5) - ETIEMBLE (D.) - Composants logiques et opérateurs matériels. Fondements. - H 685, 09-1994.
-
(6) - ETIEMBLE (D.) - Mémoires à semi-conducteurs. Composants et organisation. - H 1 218, 08-1998.
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