vignette|Un Intel 4004 dans son boîtier à seize broches, premier microprocesseur commercialisé.. vignette|Architecture de l'Intel 4004. vignette|L'intérieur d'un Intel 80486DX2.
Un microprocesseur est l'unité de traitement de l'information, qui au sein d'un ordinateur exécute des instructions pour réaliser une tâche et dont tous les composants ont été suffisamment miniaturisés pour être regroupés dans un unique boîtier. Fonctionnellement, le processeur est la partie d'un ordinateur qui exécute les instructions et traite les données des programmes.
Description Jusqu'au début des années 1970, les différents composants électroniques nécessaires au fonctionnement d'un processeur ne pouvaient pas tenir sur un seul circuit intégré, ce qui nécessitait d'interconnecter de nombreux composants dont plusieurs circuits intégrés. En 1971, la société américaine Intel réussit, pour la première fois, à placer tous les composants qui constituent un processeur sur un seul circuit intégré, donnant ainsi naissance au microprocesseur..
Cette miniaturisation a permis : d'augmenter les vitessesCette vitesse est exprimée sous forme d'une fréquence exprimée en hertz (Hz), qui comptabilise le nombre de cycles qu'effectue l'horloge de synchronisation du processeur en une seconde. de fonctionnement des processeurs, grâce à la réduction des distances entre les composants ; de réduire les coûts, grâce au remplacement de plusieurs circuits par un seul ; d'augmenter la fiabilité : en supprimant les connexions entre les composants du processeur, on supprime l'un des principaux vecteurs de panne ; de créer des ordinateurs bien plus petits : les micro-ordinateurs ; de réduire la consommation énergétiqueCe n'est pas la seule raison, mais, plus un transistor est petit, moins il a besoin d'énergie pour commuter correctement..
Les principales caractéristiques d'un microprocesseur sont : le jeu d'instructions, qui varie avec le type de microprocesseur et le constructeur : additionner deux nombres, comparer deux nombres pour déterminer s'ils sont égaux, comparer deux nombres pour déterminer lequel est le plus grand, multiplier deux nombres Un processeur peut exécuter plusieurs dizaines, voire centaines ou milliers, d'instructions différentes ; la complexité de son architecture. Cette complexité se mesure en particulier par le nombre de transistors contenus dans le microprocesseur. Plus le microprocesseur contient de transistors, plus il pourra effectuer des opérations complexes, et/ou traiter des nombres de grande taille ; le nombre de bits que le processeur peut traiter simultanément : les premiers microprocesseurs ne pouvaient traiter plus de 4 bits d'un coup. Ils devaient donc exécuter plusieurs instructions pour additionner des nombres de 32 ou . En 2007, les microprocesseurs peuvent traiter des nombres sur . Le nombre de bits des bus, de la mémoire et du processeur est en rapport direct avec la capacité à traiter de grands nombres rapidement, ou des nombres d'une grande précision (nombres de décimales significatives) ; la fréquence d'horloge : le rôle de l’horloge est de cadencer le rythme du travail du microprocesseur. La fréquence correspond à ce que l'on appelle un « cycle d'horloge ». Une instruction, selon le type de processeur et d'instruction, peut prendre un ou plusieurs cycles d'horloge. Un processeur RISC, sur lequel toutes les opérations en langage machine sont simples mais câblées, prend généralement un cycle par instruction. Au contraire, un processeur CISC contient du microcode, où une instruction en langage machine est une suite d'instructions câblées. En conséquence, dans tous les cas, à technologie égale, plus la fréquence est élevée, plus le nombre d'instructions pouvant être exécutées est élevé. Néanmoins, un processeur A cadencé à (~ 2,5 ns) peut exécuter certaines instructions plus rapidement qu'un autre B cadencé à (~ 1 ns) : tout dépend de leurs architectures respectives.
La combinaison des caractéristiques précédentes détermine la puissance du microprocesseur qui s’exprime en « millions d'instructions par seconde » (MIPS). Dans les , les microprocesseurs effectuaient moins d’un million d’instructions par seconde, alors qu’en 2007, les processeurs pouvaient effectuer plus de dix milliards d’instructions par seconde.
Histoire
vignette|upright|Illustration de la loi de Moore, une observation de l’évolution du nombre de transistors d'un microprocesseur, de 1971 à 2011J.-B. Waldner, Nanoinformatique - Inventer l'ordinateur du , Hermes Science, Londres, 2007 (adaptation et actualisation fig : 2.13, 58)..
En 1969, le microprocesseur est inventé par un physicien d'Intel, Marcian Hoff (surnommé Ted Hoff) The man who invented the microprocessor, sur bbc.com. « Ted » Hoff's first microprocessor, sur silicon-valley-story.de (consulté le 25 décembre 2016).., et Federico Faggin, qui venait de le rejoindre, fort de recherches menées en Italie. Federico Faggin, physicien du solide italien est en 1968 chez Fairchild-SGS à Agrate Brianza, puis à Palo Alto avec Thomas Klein, le concepteur du premier circuit intégré commercial à grilles auto-alignées, le Fairchild 3708, puis chef de projet de la Silicon Gate Technology (SGT), la première méthode pratique pour la fabrication des circuits intégrés MOS (structure semi-conducteur/métal/oxyde) avec grilles auto-alignées, qui a remplacé la grille d'aluminium traditionnelle d'un transistor MOS par une grille en silicium, pour intégrer deux fois plus de transistors dans la même surface. Federico Faggin est embauché par Intel en , pour être le chef de projet, le créateur de la méthodologie de conception et le concepteur principal. En seulement quelques mois, avec Marcian Hoff, des quatre puces de l'Intel 4004, qui servit initialement à fabriquer des contrôleurs graphiques en mode texte, il conçut un processeur d'usage général, avec une licence achetée au japonais BusicomJ.A.N Lee, Computers Pioneer..
Marcian Hoff a formulé l'architecture du microprocesseur (une architecture de bloc et un jeu d'instructions). Le premier microprocesseur commercialisé, le , est l'Intel 4004 , suivi par l'Intel 8008 à et qui servit initialement à fabriquer des contrôleurs graphiques en mode texte.. Jugé trop lent par le client qui en avait demandé la conception, il devint un processeur d'usage général.
Ces processeurs sont les précurseurs des Intel 8080, Zilog Z80, et de la future famille des Intel x86 The Intel 4004 Microprocessor and the Silicon Gate Technology, sur intel4004.com (consulté le 7 décembre 2015).. Federico Faggin est l'auteur d'une méthodologie de conception nouvelle pour la puce et la logique, fondée pour la première fois sur la technologie développée par lui en 1968 chez Fairchild. Il a aussi dirigé la conception du premier microprocesseur jusqu'à son introduction sur le marché en 1971 F. Faggin et M. E. Hoff, Standard Parts and Custom Design Merge in a Four-chip Processor Kit, Electronics, ..
Presque à la même époque, la société américaine Motorola effectue des travaux et innovations similaires sous la direction de Chuck Peddle Nebojsa Matic, PIC microcontrollers, for beginners , sur mit.edu., venu de General Electric, où il avait conçu une caisse enregistreuse électronique, mais qui décide en 1970 d'abandonner son activité informatique. Il participe au développement du microprocesseur , à , vendu , et qui va servir aux ordinateurs d'usage professionnel et 2 de la société SMT.
Dans les années 1970, apparaissent les concepts de datagramme et d'informatique distribuée, avec Arpanet, le réseau Cyclades et la , devenue en 1978 le modèle « OSI-DSA ». Le microprocesseur est très vite accueilli comme la pierre angulaire de cette informatique distribuée, car il permet de décentraliser le calcul, avec des machines moins coûteuses et moins encombrantes face au monopole IBM, produites en plus grande série.
En 1990, Gilbert Hyatt revendique la paternité du microprocesseur en se basant sur un brevet qu’il avait déposé en 1970 Gilbert Hyatt Files the First General Patent on the Microprocessor, Later Invalidated, sur historyofinformation.com, décembre 1970 (consulté le 25 décembre 2016).. La reconnaissance de l’antériorité du brevet de Hyatt aurait permis à ce dernier de réclamer des redevances sur tous les microprocesseurs fabriqués de par le monde, mais le brevet de Hyatt a été invalidé en 1995 par l’office américain des brevets., sur la base du fait que le microprocesseur décrit dans la demande de brevet n'avait pas été réalisé, et n'aurait d'ailleurs pas pu l'être avec la technologie disponible au moment du dépôt du brevet..
Le tableau suivant décrit les principales caractéristiques des microprocesseurs fabriqués par Intel, et montre leur évolution en termes de nombre de transistors, en miniaturisation des circuits, et en augmentation de puissance. Il faut garder à l'esprit que si ce tableau décrit l'évolution des produits d'Intel, l'évolution des produits des concurrents a suivi avec plus ou moins d'avance ou de retard la même marche.
Un programme informatique est, par essence, un flux d'instructions exécutées par un processeur. Chaque instruction nécessite un à plusieurs cycles d'horloge, l'instruction est exécutée en autant d'étapes que de cycles nécessaires. Les microprocesseurs séquentiels exécutent l'instruction suivante lorsqu'ils ont terminé l'instruction en cours. Dans le cas du parallélisme d'instructions, le microprocesseur pourra traiter plusieurs instructions dans le même cycle d'horloge, à condition que ces instructions différentes ne mobilisent pas simultanément une unique ressource interne. Autrement dit, le processeur exécute des instructions qui se suivent, et ne sont pas dépendantes l'une de l'autre, à différents stades d'achèvement. Cette file d'exécution à venir s'appelle un pipeline. Ce mécanisme a été implémenté la première fois dans les par IBM. Les processeurs plus évolués exécutent en même temps autant d'instructions qu'ils ont de pipelines, ce à la condition que toutes les instructions à exécuter parallèlement ne soient pas interdépendantes, c'est-à-dire que le résultat de l'exécution de chacune d'entre elles ne modifie pas les conditions d'exécution de l'une des autres. Les processeurs de ce type sont appelés processeurs superscalaires. Le premier ordinateur à être équipé de ce type de processeur était le Seymour Cray CDC 6600 en 1965. Le Pentium est le premier des processeurs superscalaires pour compatible PC.
Les concepteurs de processeurs ne cherchent pas simplement à exécuter plusieurs instructions indépendantes en même temps, ils cherchent à optimiser le temps d'exécution de l'ensemble des instructions. Par exemple le processeur peut trier les instructions de manière que tous ses pipelines contiennent des instructions indépendantes. Ce mécanisme s'appelle l'exécution out-of-order. Ce type de processeur s'est imposé pour les machines grand public des et aux .. L'exemple canonique de ce type de pipeline est celui d'un processeur RISC (), en cinq étapes. Le Intel Pentium 4 dispose de de pipeline Patt, Yale (avril 2004), The Microprocessor Ten Years From Now: What Are The Challenges, How Do We Meet Them? ], sur utexas.edu (consulté le 7 novembre 2007).. Un compilateur optimisé pour ce genre de processeur fournit un code qui sera exécuté plus rapidement.