Architecture des ordinateurs

 

Sylvain Tisserant


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Index

Unité Centrale de Traitement : Processeur

  1. Introduction
  2. Représentation des nombres
  3. Opérations arithmétiques et logiques
  4. Unité de commande
  5. Fréquence d'horloge
  6. Séquenceur
  7. Registres
  8. Structure des instructions au niveau machine
  9. Traitement anticipé des instructions : pipeline
  10. Unités d'éxécution parallèles
  11. Processeurs RISC

Fréquence d'horloge

L'oscillateur fournissant le signal d'horloge peut être intégré sur la puce silicium du processeur. Ce n'est généralement pas le cas, pour au moins deux raisons.

Tout d'abord, la fréquence d'oscillation est sensible à la température. Or celle d'un processeur n'est pas très stable. Il serait possible d'observer une dérive fatale, la fréquence augmentant avec la température et la température augmentant avec la vitesse de fonctionnement. Cela poserait également des problèmes de synchronisation avec les composants externes au CPU.

Par ailleurs en embarquant une horloge dans la puce du processeur la fréquence de celui-ci serait figée par construction. Or les galettes de silicium ne sont jamais parfaitement homogènes. Les performances peuvent varier selon les zones. Le constructeur serait alors obligé d'ajuster la fréquence de l'oscillateur au plus bas, en prenant un facteur de sécurité. Alors qu'actuellement, les processeurs sont triés et vendus à un prix variant selon leur vitesse de fonctionnement.

On préfère donc un oscillateur interne synchronisé sur un signal d'horloge externe, souvent fourni par un oscillateur à quartz. Nous allons étudier ce système de synchronisation, basé sur une boucle à verrouillage de phase.

 

Boucle à verrouillage de phase

Nous ne présentons ici que le principe, très schématisé, du fonctionnement d'un PLL (Phase Locked Loop). La structure minimale consiste en une boucle contenant :

On trouve de nombreuses utilisations de PLL dans les ordinateurs : horloge CPU, enregistrement et lecture de données sur un disque dur ou un disque optique, transmission de données, etc.

 

Le comparateur de phase est un circuit fournissant une tension dont la valeur dépend de la différence de phase entre deux signaux périodiques. Nous illustrons notre analyse en ne considérant que les signaux sinusoïdaux. Mais cela ne retire rien à la généralité de l'étude (cf. : Fourier).

Donc par définition, la tension à la sortie du comparateur de phase peut se mettre sous la forme :

où f est une fonction de période 2 p . Nous supposons que les amplitudes S1 et S2 sont constantes. Pour simplifier les notations, en nous limitant aux termes importants, nous prenons S1 = S2 = 1, ce qui nous donne :

Cette tension est utilisée pour commander l'oscillateur. L'oscillateur commandé en tension (VCO : Voltage Controlled Oscillator) délivre un signal, ici sinusoïdal, dont la pulsation instantanée est une fonction linéaire de la tension de commande. C'est-à-dire :

w 0 est la pulsation de repos du VCO;

kw est la sensibilité du VCO.

Si nous explicitons la tension de commande fournie par le comparateur de phase dans cette expression il vient :

Dérivons cette expression par rapport au temps :

Nous notons kj la sensibilité du comparateur de phase, définie par :

L'équation différentielle peut alors s'écrire :

Soit :

La solution de cette équation différentielle peut se mettre sous la forme d'une somme de deux termes :

Si nous avons pour le signal s1 une pulsation constante :

nous pouvons essayer une solution particulière telle que :

Il vient alors :

C'est-à-dire que les deux phases sont égales à une constante additive près :

La pulsation du signal en sortie du VCO est donc égale à celle du signal s1 et le déphasage entre les deux signaux est fixe :

Ainsi, après une phase transitoire, la boucle s'accroche ou se verrouille. Le déphase entre les deux signaux est tel que la tension de commande permet d'obtenir une pulsation identique à celle du signal de référence.

Ce qui nous donne pour le déphasage :

Nous avons simplifié la résolution de l'équation différentielle en supposant la sensibilité du comparateur kj constante. Si ce n'est pas le cas, cela ne change rien au régime permanent. Par contre cela peut influer sur le régime transitoire et en particulier sur les conditions d'accrochage de la boucle.

 

Multiplicateur de fréquence

Cependant la transmission d'un signal d'horloge de très haute fréquence pose de nombreux problèmes techniques. Pour ne pas limiter la fréquence de fonctionnement de l'unité centrale à celle de ce signal externe on utilise un multiplicateur de fréquence. Il s'agit en fait d'un diviseur de fréquence, rencontré en logique séquentielle, placé dans la contre-réaction de la boucle à verrouillage de phase. Si celui-ci divise la fréquence w 2 par n, la boucle est verrouillée si :

C'est-à-dire que l'oscillateur émet un signal avec une fréquence égale à n fois la fréquence du signal de référence. Ce coefficient de multiplication n est chargé dans l'unité centrale lorsque celle-ci est initialisée.

 

Fréquence d'horloge, gravure et puissance dissipée

L'augmentation de la fréquence d'un processeur pose quelques problèmes techniques, en particulier au niveau de la puissance thermique dissipée et des perturbations électromagnétiques. Plus un circuit fonctionne rapidement, plus les intensités des courants, et donc la puissance consommée, sont élevées. Une façon de réduire cet inconvénient consiste à utiliser une tension d'alimentation plus faible, par exemple 3.3 V au lieu de 5 V. Par ailleurs plus les signaux sont rapides plus ils induisent, par couplage capacitif, des parasites dans leur voisinage. En baissant la tension on diminue l'amplitude de ces parasites, mais on augmente la sensibilité du circuit aux parasites externes.

L'augmentation de la densité d'intégration fournit également des réponses à ces difficultés. Mais commençons par résumer succinctement le processus de fabrication d'un circuit intégré. On part d'un "lingot" de silicium : un monocristal sans défaut ultra pur (cylindre de 6 ou 8 pouces de diamètre aujourd'hui, mais 12 et 16 pouces en développement). Celui-ci est ensuite découpé en très fines tranches ou galettes (environ 500-600 Ám d'épaisseur). Ces galettes sont ensuite polies mécaniquement et chimiquement. Pour réaliser les transistors, les résistances et les connexions il faut doper certaines zones avec des impuretés de type donneur ou accepteur. Pour cela on procède par couches superposées. Différentes techniques sont utilisées pour déposer, faire croître ou diffuser ces implants. Mais dans tous les cas il faut délimiter en surface les zones à traiter. Pour cela on utilise un masque : une plaquette de quartz sur laquelle est tracée l'image en chrome de la couche concernée (échelle 5 à 10). Par ailleurs, la galette est recouverte d'une pellicule de résine photorésistive. Le masque et la galette sont exposés à un rayonnement ultraviolet, qui provoque la polymérisation de la résine. Puis un révélateur retire la résine non polymérisée. Le dopage peut alors être réalisé, puis le reste de la résine est retiré à l'aide d'un solvant. On répète ces opérations quelques dizaines de fois.

Sur une galette on réalise un grand nombre de circuits. Ceux-ci sont tous testés et marqués avant que la galette ne soit découpée en plaquettes. Chaque plaquette est ensuite placée sur un support et les connexions avec les contacts extérieurs sont réalisés par des fils d'aluminium ou d'or de 30 Ám de diamètre. L'ensemble est ensuite enfermé dans un boîtier en plastique ou en céramique.

La réduction du pas de la gravure présente de nombreux avantages. Cela permet évidemment de diminuer la surface de silicium utilisée, un gain d'un facteur 2 sur la gravure réduit la surface par 4. Il est alors possible :

Par ailleurs, cela permet une diminution du temps de transit des signaux et une diminution des intensités, donc une réduction de la puissance dissipée. Ces deux derniers avantages permettent donc augmenter la vitesse de fonctionnement. Par contre, la diminution de la surface de silicium rend l'évacuation de la chaleur plus difficile. Il faut faire appel à de la graisse ou de la pâte thermique pour assurer une bonne conduction entre la puce et le ventilateur, ou encore utiliser un refroidissement par plaque à effet Peltier.

Actuellement les constructeurs atteignent une finesse de 0.18 Ám. En octobre 2000, IBM a annoncé la construction d'un site de production pour un pas inférieur à 0.1 Ám. Il semble cependant qu'on approche des limites technologiques de la gravure. La finesse du tracé de la gravure est principalement limitée par la longueur d'onde de la source lumineuse utilisée pour l'insolation. Il faut en particulier limiter les phénomènes de diffraction. Les rayons X ou les électrons pourraient être employés dans un avenir plus ou moins proche. Au-delà la nanoélectronique est encore du domaine du laboratoire


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Dernière mise à jour : 20/11/00 par Sylvain Tisserant