MICROÉLECTRONIQUE

Microélectronique et performance des ordinateurs

D'après les lois d'échelle, la performance des composants croît comme a³et le nombre d'opérations possibles logiques par puce augmente entre a et a³, suivant l'évolution du standard de la tension logique (cf. 4. Les limites physiques aux circuits intégrés). Comment varie alors la performance des ordinateurs ?

La performance « théorique » d'un ordinateur (fig. 13) se décrit à l'aide de plusieurs paramètres qui sont plus ou moins liés à ce que l'on observera dans la réalité pour une utilisation donnée : la fréquence d'horloge (fréquence de travail à laquelle les différents éléments de l'ordinateur effectuent des opérations logiques), le nombre de bits (taille des « mots » logiques sur lesquels on effectue les opérations logiques ; par exemple, opération arithmétique sur des nombres comportant un plus ou moins grand nombre de chiffres – actuellement la plupart des machines travaillant en 32 bits, les plus performantes en 64 bits), les MIPS (millions of instructions per second, millions d'instructions logiques effectuées par seconde par la machine), les mégaflops (floating point operations per second, millions d'opérations arithmétiques en virgule flottante), etc. Tous ces éléments ne donnent qu'une idée approximative de la performance relative des ordinateurs puisque celle-ci varie suivant l'adéquation de la machine au problème posé, la configuration de la machine (en particulier ses échanges de données entre mémoire de masse/mémoire principale/unités de calcul), le langage informatique utilisé, l'habileté du programmeur. C'est ainsi que l'on s'intéresse plutôt aux MIPS pour les ordinateurs de gestion et autres tâches séquentielles car le nombre d'instructions est alors déterminant, alors que la performance en mégaflops, ainsi que le nombre de bits, sont importants en calcul scientifique. De ce fait, pour des comparaisons chiffrées précises, des programmes spécialisés et simples, les benchmarks, tournent sur les différentes machines à comparer. L'évolution dans le temps de la performance des différentes machines peut être mesurée pour les superordinateurs (de type Cray), les grands ordinateurs (mainframe), les miniordinateurs et les microprocesseurs. Cette comparaison quantitative sur une même application peut désavantager les machines qui seraient mieux adaptées à des problèmes plus complexes. Elle traduit bien, cependant, les phénomènes essentiels de l'évolution des performances : croissance de 25 p. 100 par an pour les ordinateurs, doublement – tous les ans, depuis 1986 – de la performance des microprocesseurs qui présentent désormais une puissance de calcul comparable aux gros ordinateurs. Comment en est-on arrivé là ?

Le temps d'exécution d'un programme dépend de trois facteurs ; le nombre d'instructions (c'est-à-dire d'opérations) nécessaires pour exécuter le programme ; le nombre de cycles d'horloge pour effectuer une instruction ; la durée de chaque cycle d'horloge.

Chacun de ces termes a progressé avec le temps grâce au progrès de la technologie des circuits intégrés, à celui de la mise en œuvre de ces circuits dans l'ordinateur – que l'on désigne par le terme d'architecture de l'ordinateur – et enfin à celui de la programmation de l'ordinateur, que ce soit sous forme du logiciel utilisé, du programme lui-même (plus ou moins efficace) ou bien des algorithmes de calcul (il peut exister plusieurs manières de faire exécuter une opération arithmétique par exemple).

Les trois types d'ordinateurs standards – c'est-à-dire les miniordinateurs, les gros ordinateurs et les superordinateurs – sont ou étaient construits à partir de circuits intégrés spécialisés : mémoires de différents types, opérateurs[...]