Qu’est-ce qu’un CPU ?

Le CPU est le cœur de votre or­di­na­teur. Il contient la puissance de calcul de votre PC et est donc in­dis­pen­sable aux tâches que celui-ci doit accomplir au quotidien.

CPU est l’abré­via­tion du terme anglais « Central Pro­ces­sing Unit », qu’on peut traduire par « unité centrale de trai­te­ment ». En français, on parle aussi com­mu­né­ment de pro­ces­seur. Le CPU est le composant matériel central, et donc le cœur de votre PC. Sans lui, un or­di­na­teur ne peut pas fonc­tion­ner, car le pro­ces­seur est res­pon­sable de tous les calculs né­ces­saires au fonc­tion­ne­ment du PC.

Pour com­prendre l’im­por­tance du CPU, il est d’abord né­ces­saire de com­prendre le fonc­tion­ne­ment de base d’un or­di­na­teur. Les calculs de l’or­di­na­teur sont effectués par ce que l’on appelle des ins­truc­tions machine, que l’on peut imaginer comme des requêtes demandées au pro­ces­seur. Toutes les ins­truc­tions machine peuvent être re­pré­sen­tées sous forme de suites de chiffres 1 et 0. C’est ce qu’on appelle un système binaire. Votre or­di­na­teur et son unité centrale ne peuvent traiter que des i ns­truc­tions binaires.

Il n’existe pas un seul pro­ces­seur, mais toute une liste de pro­ces­seurs dif­fé­rents, Ils se dis­tin­guent par leur nombre de cœurs et par leur domaine d’uti­li­sa­tion. De plus, il existe de nombreux fa­bri­cants de pro­ces­seur. Le marché est cependant dominé par deux en­tre­prises prin­ci­pales : Intel et AMD.

Un CPU mono-cœur ne possède qu’un seul cœur de pro­ces­seur, ce qui signifie qu’il ne peut traiter qu’une seule tâche à la fois. Il s’agit du type d’unité centrale le plus ancien. Cependant, il est rarement utilisé de nos jours car les pro­ces­seurs capables de pa­ral­lé­lisme in­for­ma­tique sont plus efficaces.

Un pro­ces­seur multi-cœur se ca­rac­té­rise par le fait qu’il possèdent plusieurs cœurs. Il a souvent deux ou quatre cœurs de pro­ces­seur (Dual Core ou Quad Core), mais un nombre plus élevé de cœurs est également possible. Ces CPU dotés d’un très grand nombre de cœurs sont notamment utilisés pour l’ex­ploi­ta­tion de serveurs. L’avantage des pro­ces­seurs multi-cœurs est évident : en raison des dif­fé­rentes unités in­dé­pen­dantes, ils sont capables d’exécuter plusieurs tâches en parallèle, ce qui permet un travail fluide et rapide.

Les PC fixes clas­siques ont un CPU adapté et suffisant pour une uti­li­sa­tion standard. Une carte graphique est également intégrée dans la plupart des pro­ces­seurs modernes d’or­di­na­teur de bureau.

En principe, il n’y a pas de grandes dif­fé­rences entre le pro­ces­seur d’un or­di­na­teur de bureau et le pro­ces­seur d’un appareil mobile comme les or­di­na­teurs portables. Dans la plupart des cas, ils se dis­tin­guent surtout par leur con­som­ma­tion d’énergie. Ils sont cependant con­si­dé­rés comme moins puissants que leurs équi­va­lents installés dans les or­di­na­teurs fixes.

Les pro­ces­seurs utilisés pour les serveurs diffèrent des unités centrales des or­di­na­teurs portables et des PC évoqués ci-dessus. Ils disposent d’un nombre de cœurs beaucoup plus élevé afin de pouvoir exécuter ef­fi­ca­ce­ment de nom­breuses opé­ra­tions si­mul­ta­né­ment. De plus, les serveurs fonc­tion­nent gé­né­ra­le­ment 24 heures sur 24, de sorte que la charge élevée peut être compensée.

Le CPU se charge des tâches es­sen­tielles de votre or­di­na­teur. On peut en dis­tin­guer trois prin­ci­pales :

1. Le trai­te­ment des ins­truc­tions : l’unité de trai­te­ment reçoit des ins­truc­tions, les analyse et renvoie ensuite les résultats obtenus.
2. La com­mu­ni­ca­tion avec les terminaux et autres pé­ri­phé­riques in­for­ma­tiques : l’unité de contrôle est res­pon­sable de cette com­mu­ni­ca­tion et s’occupe également de l’in­te­rac­tion entre les dif­fé­rents com­po­sants du pro­ces­seur.
3. L’échange de données : un or­di­na­teur de bureau tra­di­tion­nel est constitué de multiples com­po­sants comme les dif­fé­rents types de mémoires ou la carte graphique. Le rôle du transfert des données entre ces com­po­sants revient au CPU et son bus in­for­ma­tique.

La plupart des CPU modernes sont cons­ti­tués de plusieurs cœurs iden­tiques. Ces cœurs con­tien­nent dif­fé­rents com­po­sants : au moins une unité de trai­te­ment, des registres, une unité de contrôle et un bus in­for­ma­tique.

• L’unité de trai­te­ment : l’unité de trai­te­ment, également connue sous le nom d’unité arith­mé­tique et logique (UAL), assure le calcul de ces fonctions.
• Les registres : les registres sont des petites mémoires contenues dans le pro­ces­seur. Ils sont rapide d’accès en raison de leur proximité avec l’unité de trai­te­ment.
• L’unité de contrôle : l’unité de contrôle est également appelée control unit et s’occupe es­sen­tiel­le­ment du trai­te­ment des ins­truc­tions.
• Bus in­for­ma­tique : le bus se compose de lignes de données qui relient entre eux les com­po­sants du PC.

En plus de ces prin­ci­paux éléments, le CPU peut contenir d’autres com­po­sants qui sont également es­sen­tiels pour les pro­ces­seurs modernes :

• L’unité de gestion de mémoire : l’unité de gestion de mémoire (MMU) permet d’accéder à la mémoire vive ou RAM de l’or­di­na­teur en tra­dui­sant les adresses linéaires en adresses physiques.
• Le cache : cette mémoire in­ter­mé­diaire stocke des copies des données afin d’y accéder plus ra­pi­de­ment.
• L’unité de calcul en virgule flottante : cette unité de calcul est spé­cia­li­sée dans le trai­te­ment des nombres à virgule flottante.

Dans le CPU, le trai­te­ment des dif­fé­rentes ins­truc­tions est par­ti­cu­liè­re­ment rapide. Il­lus­trons ce propos par un exemple : lorsque vous appuyez sur une touche de votre clavier, vous voyez im­mé­dia­te­ment ap­pa­raître la lettre cor­res­pon­dante sur votre écran. Cependant, de nom­breuses étapes sont né­ces­saires en arrière-plan pour que le trai­te­ment des ins­truc­tions s’effectue aussi ra­pi­de­ment. On peut diviser le dé­rou­le­ment de base du trai­te­ment des ins­truc­tions en quatre étapes es­sen­tielles :

1. Fetch : l’ins­truc­tion est lue dans la mémoire vive de votre or­di­na­teur ;
2. Decode : l’ins­truc­tion est traitée ;
3. Fetch Operands : tous les pa­ra­mètres exigés par l’ins­truc­tion sont réunis dans les registres. On peut également les trouver dans la mémoire centrale, dans la mémoire vive ou dans le cache ;
4. Execute : l’ins­truc­tion est exécutée.

Ces quatre étapes se répètent pra­ti­que­ment en boucle. Lorsque qu’une ins­truc­tion a été exécutée, la suivante est sé­lec­tion­née et ensuite traitée par le pro­ces­seur. L’ordre dans lequel les ins­truc­tions sont exécutées dépend de l’or­don­nan­ce­ment des processus et permet au système de fonc­tion­ner ra­pi­de­ment et cor­rec­te­ment.

La puissance d’un pro­ces­seur dépend de plusieurs facteurs. D’une part, on s’intéresse à la taille du mot machine, qui se calcule en bits. Ainsi, la longueur des mots détermine la vitesse d’un CPU. Cela signifie que l’or­di­na­teur peut traiter plus ou moins de données selon la valeur de cette unité de base. La plupart des or­di­na­teurs courants ont une taille de mot de 32 ou 64 bits.

Pour évaluer les per­for­mances d’un pro­ces­seur, le nombre de cœurs du pro­ces­seur est également important : plus un pro­ces­seur possède de cœurs, plus il peut traiter de tâches en parallèle. C’est pourquoi la ré­par­ti­tion des charges dans un système fonc­tionne mieux lorsque le nombre de cœurs est plus élevé.

La puissance d’un CPU ne dépend cependant pas seulement des cœurs, mais aussi de la fréquence d’horloge à laquelle les dif­fé­rents cœurs fonc­tion­nent. Elle est indiquée en hertz ou en gigahertz. En principe, plus la fréquence d’horloge est élevée, plus le nombre d’ins­truc­tions machine pouvant être traitées par le CPU par seconde est important.

La fréquence d’horloge dépend également de celle de la carte mère. On peut la régler ma­nuel­le­ment dans le BIOS de certaines cartes mères. Cependant, la fréquence d’horloge ne peut pas être augmentée à volonté, car elle est limitée par la tem­pé­ra­ture du CPU. Si celle-ci augmente trop, le pro­ces­seur pourrait être endommagé. C’est notamment pour cette raison que l’over­clo­cking d’un pro­ces­seur nécessite un certain savoir-faire.

Le nombre de cœurs est-il plus important que la fréquence d’horloge pour la per­for­mance d’un pro­ces­seur ? Mal­heu­reu­se­ment, il n’y a pas de réponse claire à cette question. Cela dépend du cas d’uti­li­sa­tion, ainsi que du pro­ces­seur lui-même.

Les pro­ces­seurs modernes sont souvent plus efficaces dans le trai­te­ment des ins­truc­tions. Même un pro­ces­seur avec une fréquence d’horloge faible peut fournir les mêmes per­for­mances qu’un pro­ces­seur plus ancien avec une fréquence d’horloge plus élevée. De plus, les pro­ces­seurs modernes offrent souvent la pos­si­bi­lité du mul­ti­threa­ding ou de l’hy­per­threa­ding, ce qui permet d’exécuter plusieurs opé­ra­tions en parallèle sur un seul et même cœur.

Si vous voulez utiliser sur votre or­di­na­teur des pro­grammes qui recourent à plusieurs cœurs et à la pa­ral­lé­li­sa­tion, il est alors judicieux de passer par un pro­ces­seur à un nombre élevé de cœurs afin de répartir au mieux la charge du CPU. Par exemple, les machines vir­tuelles et le rendering (le rendu pho­to­réa­liste à partir d’images 3D) né­ces­si­tent un pro­ces­seur très per­for­mant, qui répartira la charge de travail con­sé­quente demandée.

Pour une uti­li­sa­tion plus standard avec des pro­grammes qui ne gèrent pas aussi bien le volume de travail, par exemple les jeux vidéo, préférez une fréquence d’horloge plus élevée.

Aujourd’hui, les pro­ces­seurs modernes disposent souvent déjà d’une ré­par­ti­tion in­tel­li­gente de la charge de travail sur les cœurs du pro­ces­seur : les tâches sont réparties ef­fi­ca­ce­ment sur plusieurs cœurs et tous les cœurs dis­po­nibles sont utilisés. Les dif­fé­rents cœurs fonc­tion­nent alors à une fréquence d’horloge plus faible. Si l’uti­li­sa­tion de plusieurs cœurs n’est pas né­ces­saire, la fréquence d’horloge des cœurs utilisés sera alors augmentée.