Microprocesseur multi-cœur

Un microprocesseur multi-cœur (multi-core en anglais) est un processeur possédant plusieurs cœurs physiques.

Origines

Le terme «multi-cœur» est utilisé pour décrire un processeur composé d'au moins deux cœurs (ou unités de calcul) gravés au sein de la même puce. Les premiers exemplaires de processeurs multi-cœurs d'Intel et d'AMD sont arrivés sur le marché des ordinateurs personnels en 2005^[1]. Il s'agissait de cœurs homogènes, c'est-à-dire semblables. Le cas de cœurs différents et spécialisés dans des domaines bien précis (audio, affichage, calcul pur, etc) a été exploité pour le processeur Cell conçu par IBM, Sony et Toshiba. Ce type d'architecture permet d'augmenter la puissance de calcul sans augmenter la fréquence d'horloge, et par conséquent de diminuer la quantité de chaleur dissipée par effet Joule (comme pour les dispositifs multiprocesseur).

Les premières puces double cœur basées sur l'architecture x86 sont apparues en 2005 sur le marché des serveurs (Opterons d'AMD). Elles sont apparues parce qu'en pratique la course au GHz est devenue trop onéreuse et compliquée. La génération de processeurs de cette époque n'avait qu'un seul cœur et avait une consommation qui pouvait dépasser beaucoup les 100 W (surtout sur les processeurs Intel Pentium 4). Elle devait par conséquent faire face à de graves problèmes de refroidissement des circuits^[2]. La solution qui a semblé la plus évidente a été de privilégier non plus la fréquence, mais de multiplier la puissance grâce à une architecture parallèle, de manière à pouvoir augmenter le nombre d'opérations exécutées simultanément en un cycle d'horloge.

Évolution de la technologie

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 perfectionner les performances et l'efficacité informatiques en répartissant les charges sur plusieurs processeurs. Le SMP est spécifiquement 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 de serveurs par baie, des ordinateurs portables plus fins et plus légers, et un encombrement réduit pour les dispositifs de bureau. Le traitement multi-cœur contribue à relever ces défis. Cette évolution technologique augmente les performances et la productivité dans des ordinateurs de plus petite taille capables d'exécuter simultanément plusieurs applications complexes et de réaliser davantage de tâches en moins de temps.

Atout principal

Dans le monde numérique actuel, la demande en matière de simulations 3D complexes, fichiers multimédias en continu, niveaux supplémentaires de sécurité, interfaces utilisateur plus particulièrement élaborées, bases de données plus volumineuses et nombre plus important d'utilisateurs en ligne commence à dépasser les capacités des processeurs mono-cœurs.

Les processeurs multi-cœurs facilitent un véritable fonctionnement multitâche. Sur les dispositifs mono-cœurs, le fonctionnement multitâche peut dépasser les capacités de l'UC, entraînant une baisse des performances liée à la mise en attente des opérations à traiter. Sur les dispositifs multi-cœurs, étant donné que chaque cœur dispose de sa propre mémoire cache, le système d'exploitation dispose de suffisamment de ressources pour traiter en parallèle les tâches les plus strictes en calculs.

La technologie multi-cœur peut perfectionner l'efficacité du dispositif et augmenter les performances applicatives des ordinateurs qui exécutent plusieurs applications en même temps.

Les contraintes logicielles

Malheureusement, cette approche comporte quelques désavantages, puisque les programmes doivent être repensés pour pouvoir exploiter pleinement les caractéristiques de ces processeurs. Dans le cas opposé, ils utilisent uniquement un des cœurs, génèrant une baisse de performance comparé aux attentes.

En 2006, particulièrement peu de logiciels gèrent le bi-cœurs, et globalement les logiciels ne sont pas conçus pour tirer le maximum de cette technologie (excepté dans le monde GNU/Linux où les applications sont portées en particulièrement grande majorité -près de 99.8%- sous plusieurs types d'architectures). Une fois effectuée une mise à niveau de l'ensemble des programmes vers la nouvelle architecture, les performances se détacheront nettement dans les applications gourmandes comme les jeux vidéo. À terme, les quadri-cœurs, constitués de 4 cœurs, remplaceront les bi-cœurs, car le passage à cette architecture ne demande presque pas de modification logicielle.

Le marché des télécommunications a été l'un des premiers à adopter les processeurs multi-cœurs, autant 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 propriétaires à base de microcode et picocode. 6WIND a été la première société à apporter du logiciel réseau embarqué optimisé pour ces architectures multi-cœurs.

La programmation parallèle bénéficie aussi directement de plusieurs cœurs. Des modèles de programmation comme OpenMP and MPI peuvent être utilisés sur ces plateformes multi-cœurs. D'autres efforts de recherche sont aussi menés, par exemple le dispositif Codeplay Sieve, les langages Chapel de Cray, Fortress de Sun et X10 de IBM.

Processeurs multi-cœurs existants

Il existe aujourd'hui plusieurs architectures de processeurs multi-cœurs. Outre les modèles d'Intel et AMD déjà cités, Sun Microsystems a développé sa gamme Niagara et Niagara II; IBM a développé sa gamme de PowerPC et sa ligne CellBE, commercialisée par IBM sous forme de serveur lame, par Mercury sous forme de châssis renforcé.

L'industrie cherche dans le même temps à multiplier le nombre de cœurs présents sur un processeur, comme par exemple Intel dans son projet Tera-Scale.

Exemples commerciaux

• 6WINDGate, Plan donnée et plan de contrôle embarqué parallèle de 6WIND pour les processeurs réseaux multi-cœurs
• National Instruments, Tutoriel sur les principes fondamentaux de la programmation multi-cœur

Notes et références

Voir aussi

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