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MICROPROCESSEUR

Lié intimement à la société américaine Intel, le microprocesseur a changé tant d’aspects de notre vie qu’il est difficile de se souvenir à quoi ressemblait le quotidien avant son invention. Dans les années 1960, les ordinateurs occupent des salles entières; seuls de rares laboratoires publics, des universités spécialisées dans la recherche et quelques grandes entreprises peuvent bénéficier de leur puissance de calcul. Au milieu de la décennie, le développement du circuit intégré (co-inventé par Robert Noyce, fondateur d’Intel) permet d’implanter des circuits électroniques miniaturisés sur une seule puce de silicium. Mais, loin de convaincre tout le monde, l’intégration à grande échelle des transistors sur le silicium en est encore à ses balbutiements.

Le développement de ce que l’on appellera le microprocesseur tient à la fois de l’intuition et d’un peu de chance. Intel, fondée en 1968, s’impose un défi: rendre les mémoires à semi-conducteurs plus pratiques. Elles doivent offrir une taille plus réduite, des performances accrues et une consommation plus faible. Mais la tâche n’est guère aisée si l’on considère que, du fait de l’état de l’art de l’époque, les mémoires à base de silicium sont alors cent fois plus onéreuses que les mémoires à tores.

Occupée à développer les premières mémoires à semi-conducteurs rentables, Intel a bien failli rater le coche. Son assise est encore modeste lorsque le fabricant japonais Busicom lui propose de concevoir un jeu de circuits destiné à une famille de machines à calculer de table. À l’époque, tous les circuits logiques sont conçus sur mesure pour les produits de chaque client. Par définition, ce processus empêche l’utilisation généralisée d’un circuit logique, quel qu’il soit.

La topologie initiale de la machine à calculer de Busicom nécessite au moins douze circuits «personnalisés». Ted Hoff, ingénieur chez Intel, rejette cette proposition, peu flexible, et conçoit en lieu et place un composant logique monolithique programmable qui va chercher ses instructions dans des mémoires à semi-conducteurs. Constituant le cœur d’un jeu de quatre circuits, cette unité centrale répond aux exigences de Busicom, d’une part, et peut s’intégrer à un large éventail d’applications sans qu’il soit nécessaire d’en modifier la conception, d’autre part.

Ce nouveau circuit pose toutefois un problème: Busicom en détient les droits. Hoff et d’autres savent que ce produit présente un potentiel d’applications virtuellement illimité, transformant des machines passives en machines intelligentes. Intel propose à Busicom de racheter les droits du produit pour 60 000 dollars, somme correspondant à l’investissement de la société. En proie à des difficultés financières, la société japonaise donne son accord. Ainsi est née la vision qu’a Intel de l’informatique, où le microprocesseur est omniprésent.

Prémices d’une révolution

Le microcalculateur 4004 (le terme «microprocesseur» ne fera son apparition que plus tard) est officiellement annoncé à la fin de 1971. Plus petit qu’un ongle et intégrant 2 300 transistors, ce circuit, qui coûte 200 dollars, délivre la même puissance de calcul que le premier calculateur électronique, l’E.N.I.A.C. (Electronic Numerical Integrator And Computer). À titre de comparaison, l’E.N.I.A.C., construit en 1946, utilisait 18 000 tubes électroniques intégrés dans un volume de 84 mètres cubes! Le 4004 exécute 60 000 opérations par seconde, ce qui semble aujourd’hui dérisoire, mais constitue à l’époque une grande innovation.

Peu après le 4004 vient le microcalculateur 8008, qui traite 8 bits d’information à la fois, soit deux fois plus que le premier circuit. Comme prévu, ces deux produits ouvrent de nouveaux marchés à Intel. Pour la première fois, la puissance de calcul est financièrement à la portée des concepteurs de tout type de produits qui, grâce à ce potentiel, peuvent laisser libre cours à leur créativité et à leur esprit novateur.

Les premières balances numériques font leur apparition chez les commerçants, le microcalculateur convertissant le poids en prix et pilotant une imprimante d’étiquettes. Les feux de circulation deviennent capables de détecter les véhicules en attente et de gérer le trafic de façon plus efficace. Cette véritable révolution gagne tout sur son passage, des instruments médicaux aux ordinateurs de gestion des stocks dans la restauration rapide, des systèmes de réservations aériennes aux pompes à essence, sans oublier les flippers ni les machines à sous.

Un tournant décisif: I’I.B.M. PC

En 1981, la famille des microprocesseurs Intel comprend les modèles 8086, à bus 16 bits, et 8088, à bus 8 bits. Ces deux circuits sont sélectionnés pour équiper 2 500 produits en une seule année.Le premier PC fabriqué par I.B.M. est l’un d’eux. Mais I.B.M. ne prend, à l’époque, la décision d’équiper son «micro-ordinateur» qu’après de nombreuses hésitations, qui furent balayées par l’engagement à long terme d’Intel en faveur de sa ligne de microprocesseurs et sa capacité de fabrication en volume. La décision d’I.B.M. fut décisive pour l’histoire d’Intel.

En 1982, Intel commercialise le processeur 286. Avec 134 000 transistors, il affiche des performances trois fois plus élevées que celles des autres processeurs 16 bits déjà disponibles. Grâce à l’intégration d’une fonction de gestion de la mémoire, le 286 est le premier microprocesseur à offrir une compatibilité logicielle totale avec ses prédécesseurs. Ce circuit révolutionnaire est utilisé pour la première fois sur le célèbre PC-AT d’I.B.M.

L’année 1985 marque l’apparition du processeur Intel i386. Son architecture 32 bits et ses 275 000 transistors lui permettent d’exécuter plus de 5 millions d’instructions par seconde (M.I.P.S.). Le Deskpro 386 de Compaq est le premier PC équipé de ce microprocesseur. Cadencée à l’origine à 16 mégahertz, son horloge va passer au cours des années à 20, puis à 25 et à 33 mégahertz. En 1992, Cyrix et A.M.D. (Advanced Micro Devices) entrent en lice. Ce dernier propose une version du 386 DX à 40 mégahertz. La concurrence faisant rage, les différents fabricants ne se contentent plus de baisser les prix des composants et d’augmenter la cadence de leur horloge, mais commercialisent désormais des processeurs moins gourmands en énergie pour conquérir d’autres domaines que celui des stations bureautiques. La version 386 SX, dérivée du 386 DX, est disponible dès 1988. Elle se distingue par son architecture: son mode d’adressage est sur 24 bits et l’exploitation du bus de données sur 16 bits. Il s’agit d’une version économique, adaptée aux cartes mères I.S.A., dont le bus est également sur 16 bits. Dans cette gamme de produits, plusieurs constructeurs (Intel, A.M.D., Cyrix...) se partagent le marché: ils offrent des processeurs plus rapides (augmentation de la fréquence d’horloge), consommant moins d’énergie tout en respectant la compatibilité. Le 386 SX passe ainsi d’une fréquence de départ de 16 à 20 mégahertz, puis à 25, 33 et même 40 mégahertz.

Le processeur i486 suit dès 1989. Le développement de produits est alors en plein essor, et cette nouvelle puce reflète cette accélération: outre 1,2 million de transistors, il est le premier à intégrer un coprocesseur: afin d’améliorer les performances lors de l’exécution de certaines applications, notamment dans les domaines du calcul statistique, de la gestion de bases de données, de la publication assistée par ordinateur (P.A.O.) ou du dessin assisté par ordinateur (D.A.O.), les éditeurs de logiciels font appel au microcode d’un coprocesseur, qui complète le processeur et se charge de l’exécution de tous les calculs arithmétiques effectués auparavant par ce dernier; lorsque le coprocesseur entame un traitement, le processeur est ainsi libéré pour une autre instruction; ce principe améliore les temps de traitement, à condition que les logiciels puissent exploiter le jeu d’instructions du coprocesseur. Cinquante fois plus rapide que le premier 4004, le processeur i486 offre des performances équivalentes à celles des gros systèmes les plus puissants. Cadencé à l’origine à 25 mégahertz, ce composant à architecture 32 bits en adressage et en données est disponible en 33 mégahertz en mai 1990, puis en 50, ce qui doit en garantir le monopole à Intel jusqu’en 1992. Pour rendre plus accessible la technologie du 486 DX, Intel propose en 1991 une version bridée, le 486 SX, d’un prix plus abordable. Dépourvue de coprocesseur mathématique, cette version possède toutes les caractéristiques du 486 DX (avec 32 bits d’adressage, les données sur 32 bits et 8 kilo-octets de mémoire cache). L’utilisateur pourra faire monter sa machine en puissance en y logeant un doubleur de fréquence, ce qui augmentera la vitesse de l’horloge interne, ou en y ajoutant simplement un 487 SX. Ce processeur, à l’origine cadencé à 16 mégahertz, verra son horloge évoluer vers 20, 25 puis 33 mégahertz.

Quatre ans plus tard, en 1993, le processeur Pentium fixe de nouveaux standards de performances: celles-ci sont en effet jusqu’à cinq fois plus élevées que celles de son prédécesseur. Le processeur Pentium intègre 3,1 millions de transistors capables d’exécuter jusqu’à 90 M.I.P.S., soit 1 500 fois la vitesse du 4004!

En 1995, Intel commercialise le processeur Pentium Pro. Avec 5,5 millions de transistors, cette nouvelle puce intègre un second circuit qui renferme une mémoire cache ultrarapide destinée à accélérer les performances. Affichant une puissance de calcul de 300 M.I.P.S., ce processeur trouve immédiatement sa place à l’intérieur des serveurs et des stations de travail.

Le Pentium est alimenté par un bus de données de 64 bits. Les informations transitant sur ce bus sont ensuite transférées dans la mémoire cache interne de données ou d’instructions. Une fois dans le cache interne, les données peuvent passer dans le tampon de prélecture à un taux de transfert incroyablement élevé, grâce au bus interne de 256 bits permettant de transférer simultanément jusqu’à huit instructions. L’unité de décodage d’instructions détermine lequel des «pipelines» va être utilisé et analyse les éventuelles dépendances de code. Lorsqu’un branchement particulier a été détecté, l’unité de prédiction de branchement mémorise l’adresse à laquelle le dernier saut a été effectué, et le code qui suit immédiatement ce saut est stocké dans le pipeline. Ainsi, tant que la condition de branchement reste vraie, les instructions à exécuter demeurent accessibles directement. Une fois l’instruction réalisée, son résultat est écrit dans les registres du cache de données.

Les PC architecturés autour du processeur Intel 486 coûtaient environ 225 dollars par M.I.P.S. en 1991; ce coût était de 52 dollars au début de 1994, de 11 dollars dans la seconde moitié de 1995. Au début de 1997, le Pentium Pro offrait des performances considérablement accrues pour seulement 7 dollars par M.I.P.S.

Conception d’une puce moderne

La progression de la révolution du microprocesseur s’appuie sur la capacité des fabricants à abaisser continuellement le coût de la puissance de traitement. L’augmentation des performances est, dans une large mesure, due aux progrès exceptionnels accomplis par l’industrie, d’une part, dans la conception d’une microarchitecture utilisant la technologie du silicium la plus récente et, d’autre part, dans la fabrication en grands volumes, ce qui permet d’intégrer sur une puce un nombre croissant de transistors et de doter les ordinateurs personnels de plus en plus de puissance pour un coût de moins en moins élevé.

Le premier microprocesseur a été développé par deux ingénieurs en l’espace de neuf mois. La conception d’un microprocesseur moderne nécessite la participation de plusieurs centaines de personnes, regroupées en équipes travaillant chacune sur des sections bien précises de chaque circuit et participant à différentes phases du processus d’élaboration. Les concepteurs modernes utilisent des programmes sophistiqués de conception assistée par ordinateur (C.A.O.). Cependant, si la productivité des équipes de conception a considérablement augmenté grâce à l’utilisation de programmes de C.A.O. et d’autres outils, elle éprouve certaines difficultés à suivre l’augmentation des performances et de la complexité. Aujourd’hui, les opérations de test constituent également un aspect capital du processus de conception.

L’évolution de ce composant crucial au cours de ses vingt-cinq premières années peut être résumée par quelques données chiffrées, les premières correspondant à un microprocesseur Intel 4004 (1971), les secondes à un Pentium Pro (1996): le nombre de transistors est passé de 2 300 à plus de 5 millions, le nombre d’instructions par seconde de 60 000 à 300 millions, le nombre de phases de fabrication de 25 à plus de 200, la superficie d’une usine de tranches de silicium de 1 500 mètres carrés environ à 24 000 (une fois et demie celle d’un terrain de football), le coût de construction et d’équipement d’une usine de 1 million de dollars environ à 1,5 milliard de dollars.

Fabrication du microprocesseur

Un microprocesseur contient plusieurs millions de composants électroniques et intègre plusieurs milliers de transistors. La fabrication est le résultat du transfert d’un schéma électrique sur une plaquette de silicium. Ce schéma possède jusqu’à vingt couches superposées sur une seule plaquette pour former le circuit final. Ce circuit est à son tour enfermé dans un boîtier en céramique ou en plastique, puis relié aux broches pour former un microprocesseur. La matière première est constituée d’atomes de silicium qui se fondent en un lingot dont la pureté est rigoureusement contrôlée.

Le procédé de transfert du dessin d’un circuit intégré sur la galette reprend celui qui est employé en photographie. Tout d’abord, le dessin est reproduit sur une plaque recouverte de chrome, le photomasque, qui fera office de négatif. Le fait de soumettre la galette à de hautes températures en atmosphère contrôlée crée une couche de dioxyde de silicium à la surface de la galette. Cette pellicule, dont les propriété électriques diffèrent de celles de la couche sous-jacente, est recouverte d’un composant photosensible.

Pour transférer le dessin du circuit sur la galette, on expose celle-ci à la lumière au travers du photomasque, utilisé comme négatif. À la suite de cette opération, la partie exposée est enlevée avec un développeur chimique. Le dessin du circuit se retrouve alors reproduit dans l’élément photosensible. La galette est ensuite placée dans une atmosphère de gaz actifs qui enlève la partie oxydée, non protégée par l’élément photosensible.

L’étape suivante est l’implantation des ions. Des éléments chimiques actifs, les dopants, sont implantés dans les couloirs du circuit, ce qui génère des régions (ou puits) qui emmagasinent des charges électriques et qui contrôlent le flux de courant (des électrons).

La connexion de ces puits au reste du circuit est réalisée par un dépôt de pellicules métalliques microscopiques (parfois de l’aluminium). Le proccédé photosensible est employé pour ne laisser cette pellicule métallique qu’en certains endroits. Le résultat produit une couche d’un circuit intégré qui, suivant sa complexité, en possédera jusqu’à vingt superposées sur la plaquette. Celle-ci sera insérée au sein d’une coquille de céramique ou de plastique. La dernière étape consiste à relier ce circuit aux broches du microprocesseur.

Les miracles de la fabrication

Il y a vingt-cinq ans, les processus de fabrication étaient relativement simples. La plupart des opérations étaient effectuées à la main. On utilisait des pinces à épiler pour charger les tranches de silicium (dans lesquelles sont découpées les puces) dans les nacelles de quartz, puis on introduisait les nacelles dans des fours à haute température. Les opérateurs ouvraient et fermaient les vannes à la main pour exposer les tranches à différents gaz pendant des durées très précises. Ensuite, la taille des tranches augmenta, et les processus exigèrent un contrôle nettement plus précis: les machines prirent alors le relais des hommes pour manipuler les tranches de silicium. Aujourd’hui, des automates pilotés par microprocesseur véhiculent rapidement des tranches entre les différentes étapes du processus, le rôle des opérateurs étant d’assurer le rendement optimal de cet équipement complexe. Outre une meilleure manipulation, l’automatisation présente l’avantage de tenir les opérateurs à l’écart des risques physiques et chimiques qu’impliquent de telles tâches.

Les transistors devenant de plus en plus petits, il s’avéra bientôt essentiel d’empêcher tout contact entre les tranches de silicium en cours de traitement et des particules telles que la poussière ou les particules de peau. Bientôt, des tenues de protection spéciales furent utilisées pour minimaliser les contaminants et améliorer la pureté de l’air. Aujourd’hui, les opérateurs portent des tenues antistatiques ne peluchant pas, complétées par des masques, des lunettes de sûreté, des gants, des surbottes et, même, par un équipement respiratoire spécial. Conséquence directe, les salles blanches sont aujourd’hui cent fois plus pures qu’il y a vingt-cinq ans.

Intel et les autres

Les stations bureautiques sont divisées principalement en deux catégories: celles qui sont équipées de processeur Intel ou compatible et celles qui sont dotées d’un composant d’une autre provenance. Parmi les principaux constructeurs de microprocesseurs, Motorola fut le premier à annoncer, dès 1979, un composant doté d’une architecture interne en 32 bits, le MC 68000. Par la suite, ce fabricant a enrichi la famille 68000 en faisant passer la taille du bus de données externe de 16 à 32 bits, en augmentant les capacités d’adressage et en proposant des versions à basse consommation. Outre sa famille 88000, Motorola supporte désormais également l’architecture Power avec le circuit PowerPC 601. Ce dernier, défini en commun avec I.B.M. et Apple, équipe les systèmes R6000 d’I.B.M. et les ordinateurs d’Apple.

Dans le même registre, pour ce qu’il est convenu d’appeler les applications de station de travail, de nombreux constructeurs présentent une solution différente de celle d’Intel. Ainsi D.E.C. avec la puce Alpha propose des stations fonctionnant sous Windows NT. Le PA-RISC 7100, dernier-né de la technologie Precision Architecture de Hewlett-Packard est, de son côté, une solution monolithique intégrant un coprocesseur mathématique et supprimant tout cache interne. L’originalité du PA-RISC 7100 est de disposer d’un bus d’accès à une mémoire cache externe pouvant fonctionner à la même cadence que le processeur. Enfin, on citera pour mémoire l’architecture SPARC définie par Sun Microsystems pour une compatibilité binaire des applications.

Les microprocesseurs sont de plus en plus puissants et de plus en plus rapides , ouvrant la porte à une palette illimitée de nouvelles applications. Des fonctions audio, vidéo et de conférence sont intégrées au World Wide Web. Grâce à l’augmentation de la puissance de calcul, les ordinateurs personnels sont plus simples à utiliser. Reconnaissance de la parole et de l’écriture manuscrite, commande en mode local d’applications complexes sur Internet, animation en images de synthèse: toutes ces applications exigent une puissance de calcul naguère inconcevable.

• 1973; angl. amér. microprocessor, de micro- et processor, de to process « procéder »

Synonymes :

n. m. INFORM Ensemble de circuits intégrés constituant notam., sous un faible volume, l'unité centrale d'un micro-ordinateur.

microprocesseur [mikʀopʀɔsɛsœʀ] n. m.

ÉTYM. V. 1976; de l'amér. microprocessor, de micro-, et processor, de to process « procéder ».

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♦ Inform. Circuit intégré de dimension extrêmement réduite, utilisé comme unité centrale dans la construction des micro-ordinateurs. ⇒ Puce (II., 1.). || Systèmes à microprocesseurs. ⇒ Micro-informatique. || « Mais le microprocesseur, contrairement à tous les autres composants qui l'ont précédé sur le marché industriel, nécessite des connaissances à la fois dans les domaines de la logique, de l'informatique et de l'électronique. De ce fait les futurs utilisateurs de microprocesseurs doivent posséder des notions solides dans ces trois secteurs, ainsi qu'une approche méthodique d'un système à microprocesseurs » (Sciences et Avenir, mars 1979).