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.