Le dual-core selon Intel

Que s’est-il passé ?

Ces derniers mois, l’évolution de la puissance des processeurs grand public a subi un ralentissement sans précédent.

• Mars 2000 : lancement des Athlon et Pentium III 1 GHz.
• Novembre 2002 : lancement du Pentium 4 3.06 GHz.
• Novembre 2005 : nous n’aurons toujours pas atteint les 4 GHz..

Bien sûr, nous n’ignorons plus que la puissance de ces processeurs n’est pas directement résumable à leur fréquence, mais tout de même. Que s’est-il passé ? Pourtant, en 2002 Intel nous parlait encore d’atteindre les 10 GHz avec l’architecture Netburst, et la course à la fréquence était si soutenue que les baisses de prix s’enchaînaient tous les mois. Mais l’arrivée du Northwood et plus encore du Prescott a coïncidée avec l’émergence de nouveaux problèmes, critiques.

Le premier et le plus important, est que depuis l’apparition du process .09µ, les courants de fuite sont devenus un vrai problème, et que l’augmentation de leur part au sein de la consommation totale des CPU sera exponentielle avec les prochain process. A ce niveau, les valeurs fournies varient assez facilement chez Intel, mais le graphe suivant peut donner une idée.

On estime donc aujourd’hui que les courants de fuite représentent environ 43 % du .09µ (et de la consommation du Prescott), et représenteront plus de 60 % du .065µ si rien n’est fait. Or, dans le même la puissance dite « dynamique » (hors courants de fuite qui ne servent à rien) des processeurs devrait continuer de croître légèrement. Ce qui implique que la consommation totale augmente énormément au final. On se plaint aujourd’hui des 115 W de consommation (approximatifs) du Prescott. En suivant les quelques chiffres évoqués ci-dessus, on en déduit que la consommation du Cedar Mill (qui ne sera pour rappel qu’un die shrink du Prescott en .065µ) pourrait facilement dépasser les 200 W. Alors que moins de la moitié sera utile. Evidemment, des technologies existent pour endiguer ce phénomène (SOI, composants high k et sleep transistors), mais leur développement nécessite du temps et ralentit l’évolution des process, donc de la puissance moyenne des processeurs.

La deuxième complication est liée au fait que l’évolution de la bande passante mémoire ne suit pas aussi rapidement celle de la puissance des processeurs. Le graphe suivant - dressant le bilan dans le cas d’Intel - est assez explicite à ce sujet, même s’il compare simplement la fréquence respective de ces deux composants.

Le fait est que les processeurs perdent de plus en plus de cycles à attendre les données qui vont alimenter les différentes unités d’exécution, d’où une moins grande efficacité à hautes fréquences. L’arrivée du dual channel a certes amoindri la gravité de la situation telle qu’on peut la concevoir du point de vue de l’écart de fréquences, mais il semble difficilement concevable d’aller vers du quad channel et au-delà. La solution principale se trouve au niveau de la programmation, et consiste à développer au-delà du parallélisme d’instruction le multi-thread, afin qu’en attendant les données le processeur puisse passer à un autre thread plutôt que de ne rien faire. L’Hyperthreading est un premier pas dans ce sens. Mais cette mutation est profonde, et même si elle touche actuellement presque tous les secteurs, bon nombre d’applications d’un PC standard restent aujourd’hui mono-thread.

Le dernier soucis impute à la latence des interconnections. Avec l’évolution des process de fabrication, chaque composant interne du processeur devient au fur et à mesure de plus en plus petit. Ceci est donc également vrai pour les interconnections, qui sont à considérer comme des tuyaux. Or, plus le diamètre d’un tuyau est petit, et plus sa résistance est grande (c’est notamment pour cela que l’utilisation de tuyaux de faibles diamètres dans le cadre d’un watercooling implique le choix d’une pompe dotée d’une grande pression statique, afin de résister aux pertes de charge). Malheureusement, ce qui fait ici office de « pompe » est déjà à son maximum, donc on ne peut plus rien gagner de ce côté là. Par contre, le diamètre n’est bien sûr pas le seul élément à diminuer : il y a également la longueur des interconnections. Résultat : les deux phénomènes s’annulent a peu près, et la vitesse de propagation du signal dans les interconnections reste à peu près la même, indépendamment des process. Or avec les meilleurs process, la fréquence des transistors augmente, tant et si bien que cette latence d’interconnection devient un goulot d’étranglement pour la montée en fréquence du processeur entier. En .09µ, le temps de commutation d’un MOS-FET est pour information de l’ordre de 5 picosecondes, alors que l’on parle de 30 picosecondes pour une interconnection de 1 mm.

Là encore, des solutions existent (isolants low k, rajout de couches métalliques, utilisations de répéteurs), mais elles ne sont par parfaites et augmentent la complexité et la consommation totale.