Histoire du matériel informatique

Un processeur (ou unité centrale de traitement, UCT ou en anglais central processing unit, CPU) est un composant présent dans de nombreux dispositifs électroniques qui exécute les instructions « machine » des programmes informatiques. Avec la mémoire, c'est notamment l'une des fonctions qui existent depuis les premiers ordinateurs. Un processeur construit en un seul circuit intégré est un microprocesseur.

Les premiers processeurs nécessitaient un espace important, puisqu'ils étaient construits à base de tubes électroniques ou de relais électromécaniques. Leur création a pour origine les travaux de John von Neumann, qui répondaient aux difficultés liées à la reprogrammation de calculateurs comme l'ENIAC où il était nécessaire de recâbler le système pour faire fonctionner un nouveau programme. Dans cette architecture, une unité de contrôle se charge de coordonner un processeur (ayant accès aux entrées/sorties) et la mémoire.
En 1944, John von Neumann a été nommé comme consultant au projet d’EDVAC (l'un des premiers ordinateurs à programme enregistré). Il écrit un document intitulé « première ébauche d'un rapport sur l'EDVAC », diffusé le 30 juin 1945 et qui contient une description de la machine et les raisons des diverses décisions de conceptions d'un ordinateur à programme enregistré qui sera par la suite complété en août 1949, en particulier les avantages à utiliser une seule grande mémoire interne pour contenir à la fois les instructions et les données.

Les processeurs des débuts étaient conçus spécifiquement pour un ordinateur d'un type donné. Cette méthode coûteuse de conception des processeurs pour une application spécifique a conduit au développement de la production de masse de processeurs qui conviennent pour un ou plusieurs usages. Cette tendance à la standardisation qui débuta dans le domaine des ordinateurs centraux (mainframes à transistors discrets et mini-ordinateurs) a connu une accélération rapide avec l'avènement des circuits intégrés et des micro-processeurs.

Processeur CISC
Dans les premiers temps de l'informatique, les ordinateurs étaient programmés en langage machine ou en assembleur. Pour faciliter la programmation, les concepteurs de micro-processeurs dotèrent ceux-ci d'instructions de plus en plus complexes permettant aux programmeurs de coder de manière plus concise et plus efficace. D'où l'appellation de ces processeurs comme étant des processeurs CISC pour Complex Instruction Set Computer. Les processeurs CISC possèdent un jeu étendu d'instructions complexes. Chacune de ces instructions peut effectuer plusieurs opérations élémentaires comme charger une valeur en mémoire, faire une opération arithmétique et ranger le résultat en mémoire.

Un élément qui favorisa cette complexification des micro-processeurs était le manque (à cause du prix) de mémoire et la lenteur de celle-ci. L'absence de beaucoup de mémoire force les programmes à être le plus compact possible. Pour réduire le nombre d'instructions nécessaires à un programme, il faut que chaque instruction fasse plusieurs opérations élémentaires. La lenteur relative de la mémoire pousse aussi à avoir des instructions complexes. Il n'y a alors moins de codes d'instructions à lire en mémoire et le programme en est accéléré.

Limites
Les micro-processeurs CISC n'ont pas que des avantages. En effet, La complexification des jeux d'instructions a pour effet de compliquer notablement la phase de décodage des instructions. On peut constater que sur certains micro-processeurs à jeu d'instructions complexe, la moitié des transistors sur la puce de silicium est consacrée au décodage des instructions et au contrôle de l'exécution de celles-ci. Comme le décodage des instructions est rendu difficile, l'exécution des instructions simples s'en trouve ralentie

Processeurs RISC
L'architecture RISC est apparu pour favoriser au maximum les instructions simples qui constituent la grande partie des programmes. L'idée est de supprimer les instructions complexes et les modes d'adressage élaborés afin d'augmenter la fréquence d'horloge et d'augmenter ainsi la vitesse d'exécution de toutes les instructions. Les processeurs RISC doivent avoir un nombre important de registres. Des instructions de chargement et de rangement avec quelques modes d'adressage sont les seules à faire les échanges avec la mémoire. Toutes les autres instructions travaillent uniquement avec les registres.

L'apparition des micro-processeurs RISC est en partie due à l'augmentation de la mémoire disponible sur les ordinateurs. Celle-ci n'est plus une limitation à la taille des programmes. Un autre facteur important est le fossé qui s'est creusé entre la vitesse des processeurs et celle de la mémoire. Les processeurs ont une fréquence d'horloge élevée par rapport à la vitesse de la mémoire. Chaque accès à la mémoire les pénalise. Ceci accentue le rôle d'un nombre important de registres qui évitent les accès à la mémoire. La lenteur de la mémoire est en partie compensée par la présence de caches faits de mémoires rapides. Ceux-ci sont très efficaces pour lire les instructions des programmes puisque ces accès à la mémoire se font à des cellules mémoire contiguës.

CISC ou RISC ?
Aujourd'hui les micro-processeurs CISC et RISC utilisent une technologie mixte empruntant chacun une partie des avancées de l'autre plus quelques innovations pour réduire les inconvénients inhérents à chaque architecture et ainsi augmenter la vitesse d'exécution des programmes. Le temps de la guerre marketing qui a pu avoir lieu dans les années 1990 opposant CISC à RISC est bien finie d'autant que bien souvent les concepteurs de micro-processeurs fabriquent des processeurs des deux types. Les enjeux aujourd'hui sont plutôt la finesse de gravure (donc augmentation de la densité de transistors), de l'intégration de plus de fonctions (mémoire cache, puce graphique, ...) et la diminution de la consommation d'énergie.