Processeurs de PC (CPU): comprendre leurs technologies matérielles et logicielles

Mis à jour le 06-11-23

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Technologies Des Cpu

Sans jargon trop complexe et en vulgarisant les concepts abordés, ce dossier est pensé pour les néophytes curieux de comprendre, dans leur essence, les technologies matérielles et logicielles entourant les processeurs d’ordinateur, aussi dits CPU. 

Avec les explications simplifiées ci-dessous, vous comprendrez les technologies et concepts principaux entourant les processeurs, et apprendrez à éviter les pièges de raisonnement et les arguments commerciaux fallacieux.

Liens utiles:

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Comprendre les spécifications matérielles d’un processeur

La finesse de gravure

La finesse de gravure d’un processeur fait référence à la taille des transistors qui composent le processeur. Elle est mesurée en nanomètres (nm).

Avec des transistors plus petits, il est possible de mettre davantage de transistors sur une même surface. Puisque le nombre de transistors est la première spécificité matérielle impactant les performances d’un processeur, une plus grande finesse de gravure permet d’augmenter la densité de transistors et donc la puissance de traitement du processeur. De plus, toutes choses égales par ailleurs, un processeur gravé plus finement qu’un autre produira moins de chaleur, ce qui permet l’utilisation de fréquences théoriques maximales plus élevées.

Les processeurs sont gravés de plus en plus finement, mais cette donnée à elle seule ne permet pas d’assurer qu’un CPU sera plus puissant qu’un autre, et doit donc être prise en compte en plus d’autres paramètres pour comparer deux puces.

Le nombre de cœurs

Un ordinateur, au-delà des innombrables technologies et protocoles divers, fonctionne en faite comme une calculette géante. Plus la puissance de calcul de l’ordinateur est grande, plus l’ordinateur sera rapide. Lors du fonctionnement d’un ordinateur moderne, rien que pour faire fonctionner le système d’exploitation et garder l’ordinateur allumé, ce sont des millions de calculs qui sont effectués par seconde. 

Le processeur est la pièce de calcul principale de votre ordinateur, tout passe par lui au moins en partie. À ce titre, le nombre de cœurs détermine le nombre de processus (c’est-à-dire de tâches de calcul, aussi dit thread) qui peuvent être traités en même temps par votre processeur. 

Par exemple: 1 cœur = 1 processus à la fois, 2 cœurs = 2 processus à la fois, etc. 

Utilité de plusieurs cœurs

Mais attention, il n’est pas forcément utile d’avoir plusieurs cœurs (ou “plus” de cœurs, quand on compare deux processeurs multicœurs), car la puissance de calcul d’un seul cœur est telle, qu’elle permet de traiter des milliards d’instructions les unes après les autres sans ralentir le système. Cela dit, augmenter le nombre d’instructions (de calculs) réalisables en parallèle, permet logiquement d’augmenter la vitesse de calcul maximale du processeur, et donc, parfois, la vitesse d’exécution des programmes et des processus lancés par l’utilisateur. 

Pourquoi parfois ? Car seule l’utilisation de l’ordinateur pour faire beaucoup de choses à la fois bénéficie substantiellement de l’utilisation de plusieurs cœurs, c’est ce qu’on appelle le multitâche.

Par exemple, écrire un document tout en ayant 10 onglets web ouverts et en effectuant une sauvegarde, avec en plus un rendu vidéo en cours d’export. Cette utilisation fera usage des coeurs disponibles et bénéficiera d’un processeur à plusieurs coeurs. Mais si, pour cette même utilisation, on augmente encore le nombre de coeurs, arrive un moment où le gain sera nul. Pour que le nombre de cœurs réellement utile augmente, il faudra passer à une utilisation encore plus poussée, comme la création de contenu vidéo ou l’utilisation de l’ordinateur comme un serveur web, etc.

Du coup, un utilisateur faisant rarement plus d’une chose à la fois, ou de la bureautique simple, ne verra aucun gain de performance à avoir un processeur multicore (multicœur).

Logiciels multithreadés et jeux vidéos

Un dernier facteur entre en compte, en plus du multitâche, il faut également savoir que certains logiciels sont dit multithreadés (faisant usage du multithread). C’est-à-dire que ces logiciels peuvent utiliser plusieurs cœurs à la fois, à l’inverse de la majorité des autres logiciels, qui ne peuvent utiliser la puissance que d’un seul cœur à la fois. Plus le support du multithread est important, plus le logiciel peut exploiter de cœurs en même temps, augmentant la rapidité d’exécution du logiciel (ce qui se matérialise par des exports plus rapides lors de création de médias, plus d’FPS en jeu, etc). 

Posséder un processeur ayant plusieurs cœurs peut donc être utile même aux personnes n’ayant pas une utilisation très multitâche de leur ordinateur, mais travaillant sur des logiciels tirant parti des cœurs disponibles, en général des logiciels créatifs poussés, comme Photoshop, Davinci Resolve, Lightroom, Autocad, etc. 

Les jeux vidéos quant à eux utilisent rarement plus de 2 cœurs à fois, et ne bénéficient donc que très rarement de la pléthore de cœurs proposés sur les modèles de CPU récents.

Conclusion

Au final, les technologies qui touchent aux processeurs sont très nombreuses et doivent toutes êtres prises en compte pour évaluer la performance réelle de tel ou tel processeur pour tel ou tel usage, voir pour un logiciel précis. C’est si vrai qu’un processeur 8 cœurs de 2015, peut avoir des performances réelles inférieures à un processeur 4 cœurs de 2023, et ce même lors d’une utilisation multitâche intensive !

Le maître mot lorsqu’il s’agit d’évaluer vos besoins et de définir un processeur adapté, reste donc de comparer ses performances réelles lors d’une utilisation similaire à la vôtre. C’est là que vient l’intérêt des comparatifs indépendants de performances. Nous y reviendrons, avec des liens utiles.

La fréquence, ou vitesse d’horloge

La fréquence mesure le nombre de cycles d’instructions (autrement dit de calculs à la suite) que le processeur, ou qu’un cœur du processeur, peut exécuter par seconde. La fréquence des processeurs modernes est mesurée en Gigahertz (Ghz). On parle aussi de vitesse d’horloge, ou en anglais CPU clock speed. 

Aujourd’hui, le nombre de cœurs est souvent vu comme plus important que la fréquence, ce qui est une erreur. En réalité, au-delà d’un certain nombre de cœurs utiles – définit par votre utilisation personnelle – l’ajout de plus de cœurs n’a aucun impact, alors que l’augmentation de la fréquence permet un gain théorique de performance. 

La fréquence comme le nombre de cœurs sont donc des spécificités primordiales l’une comme l’autre, mais prennent une importance variable en fonction de votre utilisation.

Ainsi, un processeur Octo Core à 3,5 GHz peut offrir une puissance de traitement plus importante qu’un processeur Quad Core à 4.5 GHz sur un logiciel comme Photoshop, tirant parti des nombreux cœurs disponibles. À l’inverse, le processeur 4.5Ghz à seulement 4 cœurs peut se révéler plus rapide pour de la bureautique de base, puisque les logiciels concernés n’utiliserons pas les 4 cœurs supplémentaires du processeur à 3.5 Ghz.

Une donnée variable

Il faut noter par ailleurs que la fréquence est une donnée variable et non fixe, la valeur donnée par le constructeur est souvent la fréquence maximale qu’un cœur unique à pleine puissance peut atteindre, la fréquence maximale sur la totalité des cœurs lorsqu’ils sont tous à pleine puissance est toujours plus faible, dans le but de réduire la chaleur générée. De plus, certains cœurs moins véloces peuvent avoir des fréquences et un fonctionnement général différent des cœurs les plus performants, notamment sur les générations Intel depuis la 12è génération (avec les Efficient Core économes en énergie, et les Performance Core axés puissance).

Alors encore une fois, lorsqu’il s’agit d’évaluer vos besoins et de définir un processeur adapté, il faut se référer à des tests de performances en conditions réelles, car la fiche technique du processeur à elle seule ne permet pas d’évaluer tous les paramètres de performances.

Pour en apprendre plus sur la fréquence d’horloge: https://www.intel.fr/content/www/fr/fr/gaming/resources/cpu-clock-speed.html

La mémoire cache

La mémoire cache (qui se compte en Mo pour Mégaoctets) d’un processeur est une petite quantité de mémoire vive (RAM) intégrée directement à la puce du processeur, qui est utilisée pour stocker temporairement les données les plus fréquemment utilisées par le processeur. Le but de la mémoire cache est d’améliorer les performances en réduisant le recours à la mémoire vive principale (les barrettes de RAM), qui est plus lente.

La mémoire cache est généralement divisée en plusieurs niveaux, de moins en moins proches du processeur et de moins en moins performants, et chacun ayant une capacité plus petite que le niveau suivant:

  1. Le niveau 1 (L1) est la mémoire cache la plus rapide et la plus proche du processeur, mais avec la plus petite capacité;
  2. Suivie du niveau 2 (L2), plus large mais moins performant, puisque plus éloigné du processeur.
  3. Puis du niveau 3 (L3) pour les processeurs les plus récents, encore plus large mais encore moins performant.

Les processeurs les plus chers sont naturellement dotés des plus gros caches de mémoire. Mais là encore, cette donnée ne permet pas à elle seule de définir la rapidité ou la latence d’un processeur. À ce titre, Intel propose régulièrement des processeurs aux caches plus réduits que ceux d’AMD, tout en ayant des temps de latence entre les calculs plus faibles.

L’utilisateur aura donc tendance à préférer un processeur aux caches les plus larges, en privilégiant la taille du cache L1, puis L2, puis L3. Bien sûr, cette donnée à elle seule ne permet pas de juger de la supériorité d’un processeur à un autre.

Thermal Design Power (le TDP)

TDP signifie « Thermal Design Power » en anglais, et se réfère à la quantité maximale de chaleur qu’un processeur produit lorsqu’il fonctionne à pleine charge. Il est le plus souvent exprimé en watts. Les fabricants de processeurs utilisent donc le TDP pour indiquer la capacité de refroidissement nécessaire pour maintenir le processeur à une température sûre de fonctionnement. 

À ce titre, cela en fait une donnée importante dans le choix de vos composants d’ordinateurs, que ce soit le boitier, le système de refroidissement du processeur ou la qualité des ventilateurs annexes.

Pour un watercooling ou un ventirad, un TDP maximal recommandé peut être affiché par le constructeur, pour vous garantir qu’il sera suffisamment efficace pour votre CPU.

Le TDP d’un processeur peut varier en fonction de nombreux facteurs, notamment la fréquence d’horloge, le nombre de cœurs, la technologie de fabrication utilisée (en particulier la finesse de gravure du processeur) et les fonctions supplémentaires telles que l’hyper-threading.

En résumé, un processeur avec un TDP plus élevé aura besoin d’un système de refroidissement plus efficace pour éviter la surchauffe et les pannes. En revanche, le TDP ne constitue en rien une indication des performances du processeur.

La puce graphique intégrée

La puce graphique intégrée au processeur permet de gérer l’affichage de l’image de l’ordinateur. La puissance de cette puce, au même titre qu’une carte graphique dédiée, définit en grande partie la quantité d’images par seconde que vous obtiendrez dans les jeux, ainsi que la rapidité de génération des exports de contenu dans les logiciels fortement utilisateurs de puissance graphique (Photoshop, etc).

Si vous possédez une carte graphique dédiée, c’est-à-dire une carte graphique achetée en plus de votre processeur et installée sur un port PCIE de votre carte mère d’ordinateur fixe, la puce graphique intégrée au CPU n’a pas d’importance, puisque votre écran sera branché sur votre carte graphique dédiée, et que le système l’utilisera par défaut.
Pour un ordinateur portable, lorsqu’une puce vidéo dédiée est présente, la partie vidéo du processeur est ignorée par défaut.

Les processeurs équipés

Attention, tous les processeurs de bureau ne possèdent pas de partie graphique intégrée, chez Intel, les séries qui finissent par la lettre F en sont dépourvues. Chez AMD, la totalité des processeurs de bureau grand public sont dépourvus de processeur graphique, sauf lorsque la mention “Radeons Graphics” est ajoutée à la nomenclature, qui comporte également la lettre G.

Les puces graphiques intégrées de chez Intel s’appellent généralement Intel Iris sur les ordinateurs portables récents, et Intel HD ou Intel UHD sur les processeurs pour PC de bureau. Les puces graphiques intégrées de chez AMD, s’appellent AMD Radeon Vega Gaphics sur laptop comme sur PC de bureau.

Le socket du CPU

Le terme « socket CPU » se réfère au connecteur sur une carte mère qui permet de connecter un processeur (CPU) compatible avec ce socket.

Il existe différents types de sockets CPU, qui varient en fonction de la marque du processeur et de la génération du processeur. Par exemple, Intel utilise actuellement des sockets LGA (Land Grid Array) pour ses processeurs de bureau, tandis que AMD utilise des sockets AM4, puis AM5 depuis 2022 et les Ryzen 7000.

Chaque socket a une disposition spécifique de broches qui correspond aux pins du processeur, permettant une connexion précise et stable entre le CPU et la carte mère.

Pour en apprendre plus sur la compatibilité entre carte mère et CPU, vour notre article: comment choisir sa carte mère de PC fixe.

Comprendre les technologies logicielles d’un processeur

Bien d’autres technologies existent (Intel SpeedStep; Intel Advanced Vector Extensions; Intel Quick Sync Video…) , mais les principales et plus récentes, celles qui sont impactantes et permettent de différencier les gammes de processeurs, sont répertoriées ci-dessous.

AMD Smart Access Memory

AMD Smart Access Memory (SAM) est une fonctionnalité introduite par AMD sur sa plateforme de processeurs Ryzen 5000 et Radeon RX 6000 pour améliorer les performances des jeux. Cette fonctionnalité permet au processeur Ryzen d’accéder à la totalité de la mémoire graphique (VRAM) de la carte graphique Radeon, ce qui améliore les performances en jeu de quelques pourcents.

Pour pouvoir activer SAM, il faut que la carte graphique et la carte mère prennent en charge la fonctionnalité, ce qui n’est possible qu’en ayant un processeur et une carte graphique AMD. L’activation se fait via le BIOS de la carte mère.

Plus d’informations sur cette technologie: https://www.amd.com/fr/technologies/smart-access-memory

AMD 3D V-cache

La technologie AMD 3D V-cache est un process de fabrication CPU permettant d’augmenter de manière très importante la taille du cache processeur.

Un processeur AMD équipé de 3D V-cache peut avoir une taille de cache bien plus importante et donc des performances très supérieures au même modèle sans cette technologie, en fonction des logiciels utilisés et des tâches demandées.

Plus d’informations sur cette technologie: https://www.amd.com/fr/technologies/3d-v-cache 

AMD Dynamic Local Mode

Le Dynamic Local Mode est une fonctionnalité réservée aux processeurs AMD Ryzen ThreadReaper,  qui permet un déplacement automatique des processus vers les Threads des processeurs qui ont un accès direct à la mémoire. 

Cette fonctionnalité contribue à améliorer les performances en réduisant la latence et peut conduire à des gains significatifs allant jusqu’à 47 % dans divers jeux et benchmarks. 

Le mode local dynamique est intégré dans Windows 10 en tant que service en arrière-plan et sera activé automatiquement dans la prochaine mise à jour du logiciel AMD Ryzen Master. L’utilisateur pourra désactiver cette fonctionnalité à tout moment via un bouton dans le logiciel. 

Hyper-Threading (AMD et Intel)

Pour simplifier, l’Hyper-Threading est une technologie logicielle permettant de simuler l’existence de plusieurs cœurs sur un seul cœur réel. On appelle les cœurs ainsi simulés des cœurs logiques, et les cœurs réels, des cœurs matériels ou cœurs physiques.

Sur les fiches techniques, on trouve souvent la mention du nombre de cœurs (c’est-à-dire de cœurs matériels) ainsi que celle du nombre de threads, c’est-à-dire, pour simplifier là encore, du nombre de cœurs total incluant les cœurs logiques.
Sur un processeur 4 cœurs 8 Threads, il y a donc 4 cœurs réels et 4 cœurs logiques, soit 8 threads. Sur un processeur 6 cœurs 16 Threads, il y a 6 cœurs réels et 10 cœurs logiques. 

Comme le nombre de cœurs définit le nombre de calculs réalisables en parallèle par un processeur, d’un point de vue pratique, l’Hyper-Threading permet donc d’augmenter le nombre de calculs réalisables en parallèle tout en ayant un nombre de cœurs matériels limité.

Note: L’Hyper-Threading permet d’améliorer les performances, mais les cœurs logiques ne sont pas aussi performants que les cœurs réels, notamment car ils nécessitent une puissance de traitement pour être simulés, et que des algorithmes puissants et complexes doivent être exploités pour en maximiser l’utilité, ce qui est un frein.

Vous trouverez une explication détaillée de cette technologie à cette adresse:

https://www.intel.fr/content/www/fr/fr/gaming/resources/hyper-threading.html

Overclocking de la mémoire vive

Intel XMP

La technologie XPM (eXtreme Memory Profile) permet d’utiliser un profil prédéfinit de surcadencage, aussi dit overclocking, de la mémoire vive (RAM). La version XMP 3.0 est sortie spécifiquement pour la RAM DDR5, faisant suite à la version XMP 2.0 pour la DDR4.

Lorsque vous activez le profil XPM dans le BIOS de votre carte mère, cette manipulation a pour effet de changer automatiquement la fréquence, le voltage et les timings de votre RAM pour augmenter ses performances. Les profils XPM sont créés par le constructeur de la carte mère.

Sur les cartes mères compatibles XMP, vous pourrez ainsi profiter des fréquences théoriques maximales de vos barrettes mémoire, bien que les processeurs n’acceptent pas par défaut des fréquences aussi élevées.

Par exemple, les processeurs Intel de 11e génération font fonctionner la mémoire vive DDR4 à une vitesse maximale par défaut de 2133 MHz, sans activer le profil XPM, votre mémoire vive, même théoriquement plus rapide, restera à ce plafond.

L’XPM a été développée par Intel, mais est désormais également disponible sur les cartes mères AMD. Elle ne nécessite donc pas de processeur Intel pour être utilisée. Elle dépend cependant à la fois du processeur, de la carte mère et des barrettes de RAM, qui doivent tous les trois être compatibles.

AMD EXPO pour DDR5

Amd Expo Ddr5

AMD EXPO est une technologie d’overclocking de mémoire vive similaire à XMP 3.0, qui elle est développée par Intel.

AMD EXPO est disponible sur les processeurs Ryzen à partir de la série 7000, et exclusivement pour la RAM DDR5.

Lorsque vous utilisez un processeur AMD Ryzen 7000, et pour profiter au maximum de votre DDR5 et de ses fréquences maximales, privilégiez donc les kits mémoire estampillés AMD EXPO et non pas XMP 3.0.

Intel Turbo Boost / AMD Precision Boost

Intel Turbo Boost est une technologie développée par Intel pour augmenter la fréquence d’horloge des processeurs lorsqu’ils sont soumis à des charges de travail élevées.

Avec Turbo Boost, lorsque la charge de travail sur un ou plusieurs cœurs de processeur est faible, le processeur fonctionne à sa fréquence de base. Mais lorsque la charge de travail augmente, le processeur peut fonctionner à une fréquence plus élevée pour une durée limitée, afin de fournir des performances accrues. L’intérêt réside dans un meilleur contrôle de la chaleur générée et de la consommation en temps de faible utilisation, ce qui autorise des écarts plus larges lorsque nécessaires.

C’est une technologie transparente pour l’utilisateur, c’est-à-dire qu’elle fonctionne sans action particulière, cela dit, des réglages peuvent être faits manuellement depuis le BIOS de la carte mère depuis la version Turbo Boost 2.0.

Bien que des différences techniques existent, AMD Precision Boost 2 fonctionne globalement de la même manière que Intel Turbo Boost.

Intel Thermal Velocity Boost / AMD XFR

Intel Thermal Velocity Boost, est une technologie introduite avec les processeurs Intel de la 10ème génération. Elle permet d’augmenter automatiquement la fréquence d’horloge des cœurs du processeur lorsque la température est suffisamment basse et que la consommation d’énergie est adaptée, ce qui peut permettre d’atteindre des performances encore plus élevées pour les tâches les plus exigeantes.

C’est une technologie transparente pour l’utilisateur.

Bien que des différences techniques existent, AMD Extended Frequency Range fonctionne globalement de la même manière que Intel Thermal Velocity Boost.

AMD Precision Boost Overdrive (PBO)

Precision Boost Overdrive (PBO) – Présent dans tous les processeurs Ryzen 5 de 3e génération et plus – PBO permet d’augmenter les limites de consommation et de puissance en fonction de critères de chaleur et de stabilité calculés en temps réel par un algorithme.

C’est une option qui peut être activée depuis le BIOS de la carte mère, mais qui limite la garantie sur le processeur.

Intel Turbo Boost Max Technology 3.0

Intel Turbo Boost Max Technology 3.0 est une technologie introduite avec les processeurs Intel Core X-series de la série i9 et i7. Elle permet d’identifier les deux cœurs les plus performants du processeur et de les utiliser pour les charges de travail les plus exigeantes. Cette technologie fonctionne en tandem avec Turbo Boost 2.0, en permettant d’augmenter la fréquence d’horloge des deux cœurs les plus performants lorsqu’ils sont utilisés pour des tâches exigeantes.

Pour comprendre cette technologie, il faut savoir que les processeurs ont des performances légèrement variables d’une unité à l’autre, et que cela est aussi vrai d’un cœur à un autre sur un même processeur.
Ces petites variations sont inévitables et imprévisibles dans les procédés de fabrications actuels.

Là aussi, c’est une technologie transparente pour l’utilisateur.

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