Processor central

Un processor central, o unitat centrau de tractament (de l'anglés central processing unit, CPU), es lo compausant d'un ordenador cargat d'executar las instruccions deus programas. Interprèta e tracta las dadas en efectuant, a grana velocitat, ua seguida d'operacions elementàrias aritmeticas e logicas. Es lo compausant qui confereish a un ordenador la soa capacitat fondamentau d'èste programat.

Lo circuit integrat d'un microprocessor Intel 80486DX2 dins sa boita (talha reala : 12 × 6,75 mm)

L'idèa de crear ua unitat de tractament remonta a l'aparicion deus prumèrs ordenadors pendent los ans 1940. L'invencion deu transistor e deu circuit integrat permetó ua miniaturizacion creishenta deus equipaments qui abotí en 1971 au prumèr microprocessor. Aquera rompedura favorizè la difusion de las tecnologias de l'informacion dens l'ensemble de la societat. Iniciè tanben un important esfòrç de desvolopament tà concéber processors de mei en mei performants (aumentacion de la velocitat, de la frequéncia deus calculs, deu nombre de còrs, etc.).

Lo foncionament d'un processor es basat sus un cicle repetit consistint a cercar, descodar e executar las instruccions. Distingueish mantua arquitectura, com las concepcions CISC e RISC, e mantun tipe de processors (processors generalistas, processors especializats de sistèmas embarcats, processors grafics, etc.). Presents dens ua immensa varietat d'objèctes, los processors constitueishen uei un enjòc industriau, economic e geopolitic màger.

Istòria

De las originas aus prumèrs processors

L'idèa de crear ua unitat cargada de tractar l'informacion segon ua seguida d'instruccions es mei anciana que l'electronica. Prenó la soa forma teorica modèrna durant los ans 1940 dab la definicion de l'arquitectura de von Neumann. Aquera estructura, imaginada pendent la construction deus prumèrs ordenadors, es fondada sus ua unitat centrau de tractament qui executa, ua a ua, las instruccions definidas per un programa enregistrat aus costats d'ua memòria e de dispositius d'entrada e de sortida. Aqueth modèle, qui distingueish l'unitat de tractament de la memòria, es demorat lo fondament de la màger part deus ordenadors actuaus.

Totun, los prumèrs ordenadors, fabricats dens los ans 1940 e 1950, ne tienèvan pas de processor au sens actuau. La lor unitat de tractament èra constituïda d'un ensemble de compausants. Per exemple, las prumèras maquinas utilizavan tubes electronics voluminós, fragiles, consumeires d'energia e desgatjant hèra calor. Ua unitat de tractament aucupava tanben volumes importants, comparables a armaris entièrs. L'invencion deu transistor en 1947 estó un eveniment decisiu. En efèit, aqueth compausant, capable d'assegurar las medishas foncions qu'un tube electronic en estant mei petit, mei hidable, mei rapide e mensh consumeire d'energia, obrí la via a la miniaturizacion de l'electronica. Atau, las unitats de tractament basadas sus de transistors vadón mei compactas e mei performantas durant los ans 1950-1960.

Es pendent aqueth periòde, a la debuta deus ans 1960, qui lo tèrme de central processing unit (« unitat centrau de tractament », CPU) que's difusè dens l'industria electronica tà designar aquera partida de la maquina cargada d'executar las instruccions. Puish, apareishó lo circuit integrat, qui permetó de regropar mantun transistor sus ua medisha placa de semiconductor. En redusint enqüèra la talha e lo còst deus compausants, preparè l'aparicion deu microprocessor.

L'invencion deu microprocessor

Fotografia d'un microprocessor Intel 4004.

A la debuta deus ans 1970, los progrès de l'electronica permetón d'amassar los diferents compausants de las unitats de tractament en ua uniça puç a basa de semiconductors. Aperat « microprocessor », aqueth dispositiu simplifiquè los ordenadors e lo prumèr modèle comercializat, l'Intel 4004, merquè ua rompedura fondamentau dens l'istòria de l'informatica. En efèit, si los sons resultats èran netament inferiors aus processors de l'epòca, lo son volume e lo son còst plan febles permetón de concéber los prumèrs micro-ordenadors a l'origina de l'ordenador personau e de la difusion de l'informatica dens los larèrs a partir de la segonda mieitat deus ans 1970.

Pendent las annadas seguentas, la poténcia deus microprocessors aumentè lèu. Que's passè atau d'un microprocessor de 4 bits a dispositius de 8, 16 e 32 bits, capables de tractar quantitats creishentas d'informacions. En parallèle, lo nombre de transistors integrats dens cada puç aumentè shens cès ni pausa e los microprocessors vadón l'element clau deus ordenadors.

L'evolucion deus microprocessors

A partir deus ans 1970, l'evolucion deus microprocessors seguí un ritme regular qui estó formalizat, de faiçon empirica, per Gordon Moore (1929-2023), un deus confondators d'Intel. Segon la lei qui pòrta lo son nom, lo nombre de transistors podent estar integrat dens ua puç dobla cada dus ans. Aquela relacion demorè vertadèra dinc aus ans 2010 e illustrè la rapiditat deus progrès de las industrias electronica e informatica. Aquera progression èra principaument basada sus la miniaturizacion continua deus transistors qui permetó d'aumentar la lor densitat dens los circuits e lo nombre d'operacions realizablas. Los microprocessors modèrnes intègran atau miliards de transistors dont la talha se mesura en nanomètres.

Dus autes axes de desvolopament sostienón tanben l'aumentacion rapida de la poténcia. Lo prumèr estó l'aumentacion de la frequéncia de relòtge, es a díser lo ritme d'execucion de las instruccions peu processor. Totun, aquera corsa estó limitada a partir deus ans 2000 per problèmas de refrediment. Lo segond axe estó la multiplicacion deu nombre de còrs. En plaça d'accelerar un processor unic, l'idèa es de plaçar mantua unitat de tractament capabla de tribalhar en parallèle. Vaduts la nòrma, los processors multicòrs permeten d'executar mantun prètzhèit e de despartir un medish calcul enter mantun còr.

Principis de foncionament

Lo ròtle fondamentau d'un processor es d'executar rapidament programas, es a díser seguidas d'instruccions elementàrias enregistradas en memòria. Lo son foncionament es fondat sus un cicle de basa, repetit de faiçon continuau, qui es sovent descrivut en tres temps. Prumèr, lo processor va cercar en memòria l'instruccion d'executar a l'adreça indicada dens un registre especiau. Puish, descòda aquera instruccion, es a díser que'n determina la natura e las dadas concernidas. Enfin, executa l'operacion demandada e passa a l'instruccion seguenta. Aqueth cicle, a còps resumit peus tèrmes anglés fetch, decode e execute, que's repeteish miliards de còps per segonda.

Las instruccions son executadas de manièra sequenciala, a mensh d'ua instruccion ordenant au processor d'anar a un aute endret deu programa, çò que permet de realizar las repeticions o las causidas condicionaus a la basa de tota la logica informatica. Lo ritme d'aqueths cicles es reglat per un relòtge intèrne qui emet un senhau regular cadençant las operacions deu processor. La frequéncia d'aqueth relòtge balha ua indicacion de la rapiditat deu processor, mes autes paramètres intervienen sus la velocitat de tractament de las informacions com lo nombre d'instruccions tractadas a cada cicle o lo nombre de còrs.

Las dadas manipuladas peus processors son seguidas de 0 e de 1. En efèit, aqueras dadas binàrias son particularament adaptadas a las operacions logicas e aritmeticas simplas realizablas per circuits compausats de transistors agissent com interruptors.

Arquitectura e compausants

Las unitats foncionaus

Un processor es compausat d'un ensemble d'unitats especializadas qui coopèran tad executar instruccions. La lor organizacion precisa pòt variar segon los modèles, mes existeish elements comuns. Lo prumèr element fondamentau es l'unitat de comanda (o unitat de contròle) qui dirigeish lo foncionament generau deu processor. Gereish la debanada deu cicle d'execucion en cercant, per exemple, las instruccions, en realizant lo lor descodatge e en enviant las informacions necessàrias tà coordinar l'accion de las autas unitats. Lo segond element màger es l'unitat aritmetica e logica (ALU). Es lo còr de la capacitat de calcul deu processor. Totun, mantun processor dispausa d'ua unitat addicionau especializada dens los calculs implicant de virgulas flotejantas (FPU), mei eficaça tà las operacions suus nombres reaus. Enfin, lo processor intègra un nombre limitat de petitas memòrias intèrnas plan rapidas, aperadas registres, on son estocadas temporàriament las dadas e los resultats en cors de tractament. Aqueths registres son situats près de las unitats de calcul. Son donc mei rapides que la memòria principau, mes la lor capacitat es limitada. De mei, daubuns registres an un ròtle particular, com lo qui indica l'adreça de l'instruccion vienenta.

La memòria e las comunicacions

Tà foncionar, lo processor deu escambiar dadas dab la memòria e los autes compausants de l'ordenador. Totun, despuish l'aparicion de l'informatica, la velocitat deus processors aumentè mei rapidament que la de las memòrias. La consequéncia d'aquera diférencia estó l'aparicion d'un escart de mei en mei important enter la rapiditat deu processor e lo temps necessari tad accedir a las dadas. La gestion d'aqueth escart es un enjòc centrau de l'arquitectura deus ordenadors modèrnes.

En efèit, tad ac redusir, las memòrias d'un ordenador son organizadas segon ua ierarquia compausada deus registres (intèrnes au processor), de la memòria cache, de la memòria viva e de las memòrias d'estocatge de massa. La rapiditat, la talha e lo còst d'aqueras memòrias vàrian en sens invèrse. Las memòrias pròchas deu processor son atau rapidas, petitas e costosas mentre que las memòrias aluenhadas son mei lentas, mes tanben mei granas e mensh costosas. Dens aqueth sistèma, la memòria cache a un ròtle centrau. Es ua memòria rapida, de febla capacitat, integrada au processor o plaçada a proximitat immediata, qui consèrva ua copia de las dadas e de las instruccions mei sovent utilizadas. Atau, lo processor i pòt accedir plan lèu shens aver a esperar la memòria principau, mei lenta.

Enfin, los escambis d'informacions enter lo processor, la memòria e los autes compausants s'efectuan gràcias a ensembles de connexions, aperats buses, servint a transportar las dadas, las adreças e los senhaus de comanda enter mantun compausant. La rapiditat e l'organizacion d'aqueras comunicacions influeishen hèra suus resultats globaus de la maquina.

Tipes e arquitectura

Las arquitecturas CISC e RISC

Articles detalhats: Processor de jòc d'instruccions complèxe e Processor de jòc d'instruccions redusit.

Dus tipes principaus d'arquitectura son tradicionaument en matèria de concepcion de processors. La prumèra es l'arquitectura CISC (« processor de jòc d'instruccions complèxa ») qui consisteish a dotar lo processor d'un gran nombre d'instruccions, a còps plan elaboradas, capablas d'efectuar operacions complèxas en ua sola comanda. Aquera vision, la mei anciana, avèva l'avantatge d'estauviar la memòria e de facilitar lo tribalh deus programaires. Totun, necessitava de concéber processors complèxes e lo son interès diminuí quand arribèn memòrias mei facilas de fabricar e mensh costosas. La familha x86, qui equipa la màger part deus ordenadors personaus e un nombre important de servidors, es l'exemple mei conegut de processor d'aqueth tipe.

La segonda arquitectura es aperada RISC (« processor de jòc d'instruccions redusit »). Apareishuda pendent los ans 1980, es fondada sus un processor unicament capable de realizar operacions simplas, mes de faiçon rapida e segon ua durada regulara. Combinasons d'aqueras instruccions elementàrias son utilizadas tad obtiéner operacions mei complèxas. Aquò permet de fabricar processors mei simples, mei rapides e necessitant mensh d'energia. Aquera arquitectura es donc vaduda dominanta dens lo domeni deus aparelhs mobiles.

Çaquelà, la distincion enter las duas tecnicas que s'es estompada. En efèit, los processors CISC modèrnes traduseishen las instruccions complèxas en ua seguida d'operacions simplas com los processors RISC. En mei, las arquitecturas RISC que's difusan drin a drin au domeni deus ordenadors e deus servidors.

Los processors generalistas e especializats

La màger part deus processors equipant los ordenadors personaus o los servidors son processors dits generalistas. Polivalents e sovents dotats d'ua poténcia de calcul hòrta, son concebuts tad executar programas plan variats dens environaments divèrs. Totun, ua larja gamma de processors especializats existeishen tad usatges especifics. Per exemple, los microcontrolaires son destinats a controlar un sistèma electronic segon un programa enregistrat dens la lor memòria. Pauc poderós, mes pauc costós, son integrats dens ua multitud d'objèctes (aparelhs electrodomestics, automobilas, objèctes connectats, etc.).

Au miei deus processors especializats, los processors grafics (GPU) aucupan ua plaça particulara. Concebuts a l'origina tà miar calculs ligats a l'afichatge d'imatges, son fondats sus ua arquitectura diferenta deus processors centraus classics. En plaça d'un nombre limitat de còrs poderós, alinhan un nombre gran d'unitats de calcul simplas, mes capablas de tribalhar en parallèle sus de granas quantitats de dadas. Au delà de l'afichatge grafic, aqueths processors an atau trobat un ròtle navèth dab lo desvolopament de l'intelligéncia artificiala. En efèit, los hialats de neurònas artificialas son basats sus operacions simplas de faiçon simultanèa. Los GPU son doncàs venguts l'atruna de calcul centrau deus sistèmas d'IA modèrnes e la lor produccion un sector important de l'industria electronica.

Los processors monocòr e multicòr

Ua auta distincion istorica separa los processors segon lo lor nombre de còrs. Un còr es ua unitat de tractament complèta, capabla d'executar instruccions de manièra autonòma. Los processors monocòrs estón la nòrma dinc aus ans 2000. Executavan las operacions ua a ua e l'aumentacion de la lor frequéncia de relòtge permetó longtemps de melhorar la lor rapiditat. Totun, aquera costuma trobè lo son limit dab los problèmas de dissipacion termica deus processors utilizant frequéncias tròp hautas. Tà resòlver aqueth problèma, los fabricants desvolopèn processors comportant mantun còr tribalhant en parallèle. Aquò necessitè de concéber programas adaptats ad aqueth tipe de foncionament, mes permetó d'executar mantun prètzhèit simultanèament, o de despartir un medish tractament enter mantun còr.

Aplicacions e economia

Las aplicacions

Despuish la fin deu sègle XX, los processors son presents dens un nombre considerable d'objèctes tecnics, sovent plan aluenhats deu monde de l'informatica. Aquera omnipreséncia es ua consequéncia de la miniaturizacion e de la baisha deus còsts permetudas peu microprocessor. Atau, au mensh tres tipes d'objèctes actuaus contienen processors. Lo prumèr es de segur constituït peus ordenadors (ordenadors personaus, servidors, superordenadors, etc.). Lo processor i demora lo compausant centrau. Lo segond camp d'aplicacion es compausat per l'ensemble deus aparelhs informatics mobiles (telefònes, tauletas, etc.). Aqueth camp es vadut economicament important pr'amor qu'aqueths objèctes son d'ara enlà indispensables au quotidian de centenas de milions de personas. Enfin, lo darrèr sector d'aplicacions es lo deus sistèmas embarcats. Aqueths sistèmas son presents dens un nombre considerable d'objèctes qui son rarament percebuts coma informatics (aparelhs electrodomestics, automobilas, equipaments industriaus, equipaments medicaus, objèctes connectats, etc.). Totun, embarcan sovent microcontrolaires tà gerir foncions especificas.

Economia e enjòcs

Despuish la generalizacion de l'informatica dens la societat, la fabricacion deus processors es vaduda un sector important e estrategic de l'economia mondiau. Aquò es a l'origina d'ua industria, plan dependenta deus materiaus semiconductors, caracterizada per ua hòrta tecnicitat e còsts considerables.

La soa prumèra particularitat es que la concepcion e la fabricacion son largament separadas. En efèit, hèra enterpresas conceben processors shens dispausar de las capacitats tà los fabricar. Puish, la produccion es hidada a usinas especializadas aperadas honderias. Aqueth aspècte es a l'origina d'enjòcs geopolitics intenses pr'amor que la màger part deus fabricants son uei installats a Taiwan.

Annèxe

Ligams intèrnes

• Arquitectura CISC.
• Arquitectura RISC.
• Circuit integrat.
• Electronica.
• Ordenador.
• Processor grafic.
• Semiconductor.
• Transistor.
• Tube electronic.

Bibliografia

• (fr) Paolo Zanella, Yves Ligier e Emmanuel Lazard, Architecture et technologie des ordinateurs, Malakoff, Dunod, 7^a edicion, 2026.