L'ordinateur personnel¤

Un ordinateur personnel (PC pour Personal Computer) est un appareil électronique de petite taille destiné à un usage individuel. Il se distingue des ordinateurs centraux (ou mainframes) et des serveurs, qui eux, sont destinés exclusivement à un usage professionnel ou collectif en raison de leur prix exorbitant. Néanmoins, quelle que soit la taille de l'ordinateur, les composants de base sont les mêmes. Un ordinateur est composé de plusieurs éléments principaux :

Un processeur (ou CPU pour Central Processing Unit)

C'est le cœur computationnel de l'ordinateur. Il exécute les instructions des programmes et contrôle les autres composants de l'ordinateur.

La mémoire (ou RAM pour Random Access Memory)

Elle est volatile, c'est-à-dire qu'elle perd son contenu lorsque l'ordinateur est éteint, mais elle est très rapide. Elle est utilisée pour stocker les données temporaires des programmes en cours d'exécution.

Un disque dur (ou HDD pour Hard Disk Drive)

Il agit comme un périphérique de stockage de masse, il stocke les données de manière permanente.

Une carte graphique (ou GPU)

Elle s'occupe de l'affichage des images sur l'écran et du calcul 3D. De nos jours elle est aussi utilisée pour accélérer les calculs parallèles comme ceux des modèles de langage.

Une carte mère (motherboard)

Elle relie tous les composants physiques de l'ordinateur entre eux.

Un chipset

C'est un ensemble de circuits électroniques qui gère les communications entre les différents composants, il est composé de deux parties : le Northbridge et le Southbridge

La RAM¤

La mémoire vive est une mémoire de stockage temporaire, on l'appelle également mémoire non volatile. Le plus souvent une mémoire vive est amovible, il s'agit d'une barrette enfichable sur la carte mère. Avec l'évolution de la technologie, ces mémoires sont carénées et munies d'un dissipateur thermique.

Sous le capot, on peut voir les puces de mémoire :

Cette mémoire dispose de 16 Gibioctets de mémoire, soit \(16 \times 2^30 = 17179869184\) octets. Chaque octet est composé de \(8\) bits, soit \(17179869184 \times 8 = 137438953472\) bits. Comme nous voyons \(4\) puces de mémoire, chaque puce contient \(4\) Gibioctets.

Généralement, ces mémoires sont vendues en nombre de bits, soit ici 32 Gibibits.

Sur le circuit électronique ou PCB (Printed Circuit Board), on voit les 4 puces de mémoire soudées. Il s'agit d'un composant de la société Micron, un MT40A1G8.

Une mémoire volatile est une mémoire qui perd son contenu lorsqu'elle n'est plus alimentée en électricité. La raison est simple. Stocker un état électrique demande de l'énergie pour accumuler des charges électriques. Si l'on fait l'analogie que l'électricité est de l'eau, alors chaque bit de la mémoire est un verre d'eau que l'on peut remplir ou vider. Le seul moyen de lire le contenu du verre est de voir s'il y a de l'eau dedans, c'est-à-dire de le vider. Si le verre est grand, alors il faut plus de temps pour le remplir et plus de temps pour le vider ceci présente plusieurs inconvénients :

1. La vitesse de lecture est plus lente.
2. La quantité d'eau (courant) pour remplir le verre est plus grande.
3. L'encombrement est plus grand puisque le verre est plus volumineux.

Aussi, le choix technologique est d'avoir des tout petits verres. Ils sont si petits que l'eau contenue s'évapore très vite. Pour éviter cela, on doit constamment remplir les verres. C'est ce que l'on appelle le rafraîchissement de la mémoire. Périodiquement, environ toutes les 64 ms, on doit réécrire le contenu de la mémoire pour éviter que l'information ne se perde. Heureusement pour nous, cette opération est transparente pour l'utilisateur, c'est le contrôleur de mémoire qui s'en charge.

Les caractéristiques de la mémoire sont les suivantes :

Technologies¤

Il existe plusieurs technologies de mémoire vive. Les plus courantes sont : SDRAM, DDR, DDR2, DDR3, DDR4. Contrairement à la SDRAM qui est une mémoire synchrone, les mémoires DDR (Double Data Rate) sont des mémoires asynchrones. Cela signifie que la mémoire peut lire et écrire des données sur le flanc montant et descendant du signal d'horloge ce qui double la bande passante de la mémoire. Chaque génération améliore les performances en augmentant la fréquence de fonctionnement, la densité des puces mémoires et en réduisant la tension d'alimentation.

Vitesse de la lumière¤

La vitesse de la lumière est de 299 792 458 m/s. Elle est fixée par la convention du mètre. C'est la vitesse maximale que peut atteindre un objet dans l'univers. Pour donner un ordre de grandeur, un signal électrique se propage dans un câble à environ ⅔ de la vitesse de la lumière. Cela signifie que pour parcourir 1 mètre, un signal électrique met environ 5 ns.

Plus haut on a vu que le bus de données de la mémoire est souvent de 64-bits. Cela correspond à une autoroute de 64 voies avec quelques limitations :

• Les voies sont unidirectionnelles, c'est-à-dire que l'on ne peut circuler que dans un sens.
• Les voies sont séparées par des barrières, c'est-à-dire que l'on ne peut pas changer de voie.
• Les véhicules se déplacent tous à la vitesse d'environ 540 millions de km/h. Ils ne peuvent pas freiner, accélérer ou s'arrêter.

Pour transmettre une information, par exemple un nombre entier de 64 bits (long long en C), il faut faire entrer 64 véhicules sur chacune des voies. Chaque véhicule représente un bit. Pour que l'information soit transmise, il faut que les 64 véhicules soient alignés et qu'ils arrivent tous au même moment.

Sur la figure suivante, on voit le routage d'un circuit électronique. En rose, ce sont les composants physiques. À gauche un processeur et au milieu en bas deux circuits mémoire labélisés DDR1 et DDR2. En bleu clair ce sont les lignes électriques qui relient les composants. On observe des tas de petites circonvolutions. Les lignes sont artificiellement rallongées pour que la longueur de chaque voie de l'autoroute soit la même, afin de garantir une vitesse de propagation identique pour chaque ligne de donnée.

Vous me direz, oui, mais 540 millions de km/h c'est super rapide et sur ce circuit les lignes ne font pas plus de 10 cm ce qui représente 600 ps pour parcourir la distance. Oui, mais voilà, on communique sur cette autoroute à 2000 MT/s (mégatransferts par seconde). Cela signifie que 2'000'000 de véhicules entrent sur chaque voie de l'autoroute chaque seconde. N'est-ce pas incroyable ?

Malgré ces performances, la mémoire reste un goulot d'étranglement pour les processeurs. En effet, les processeurs sont de plus en plus rapides et les mémoires ne suivent pas le rythme. Un processeur qui calcule à 4 GHz peut exécuter 4 milliards d'instructions par seconde. Si chaque instruction nécessite un accès mémoire et que cet accès prend 100 cycles d'horloge, alors le processeur ne pourra exécuter que 40 millions d'instructions par seconde. Cela signifie que le processeur ne sera utilisé qu'à 1% de sa capacité.

Le disque dur¤

Le disque dur est un dispositif de stockage de masse. Il est composé de plusieurs plateaux métalliques qui tournent à grande vitesse. Un bras mécanique se déplace sur les plateaux pour lire ou écrire les données. Les disques durs sont lents par rapport à la mémoire vive. Ils sont utilisés pour stocker des données de manière permanente.

De nos jours ces disques sont remplacés par des disques SSD (Solid State Drive) qui sont plus rapides et plus fiables. Les disques SSD sont composés de mémoire flash qui ne nécessite pas de pièces mobiles. Contrairement à la mémoire vive, les disques SSD sont des mémoires non volatiles. Cela signifie que les données sont conservées même lorsque l'alimentation est coupée.

Mais si les SSD peuvent stocker beaucoup plus de données sur le même espace, pourquoi sont-ils plus lents que la mémoire vive ? La raison est simple. Les disques SSD sont organisés en blocs de données, que l'on appelle pages et clusters. Pour lire ou écrire une donnée, il faut lire ou écrire tout le bloc. Cela signifie que si l'on veut lire un octet, il faut lire 4'096 octets. C'est ce que l'on appelle le page size.

La communication entre le processeur et le disque SSD ou HDD utilise un protocole de communication série appelé SATA (Serial ATA). Ce protocole permet de transférer des données à une vitesse de 6 Gbit/s. Cela signifie que pour transférer un octet, il faut 8 bits, soit 8 ns. Cela semble rapide, mais si l'on veut lire un bloc de 4'096 octets, il faut 32'768 bits, soit 32'768 x 8 ns = 262'144 ns, soit 262 µs. C'est 262'144 fois plus lent que la mémoire vive.

Pour interfacer le processeur avec le disque dur, on utilise un contrôleur de disque. Ce contrôleur est un circuit électronique qui gère les accès disque. Il est composé lui-même d'un microprocesseur, de mémoire vive et de mémoire flash.

La carte mère¤

La carte mère est le composant principal de l'ordinateur. C'est elle qui relie tous les composants entre eux. Elle est composée d'un circuit imprimé sur lequel sont soudés les différents composants et une grande quantité de connecteurs.

Le cœur de la carte mère est le chipset. C'est un ensemble de circuits électroniques qui gère les communications entre les différents composants. Il était historiquement composé de deux parties, le northbridge responsable de la communication entre le processeur et la mémoire vive et le southbridge responsable de la communication entre les périphériques de stockage et les ports USB. Depuis plusieurs années, le contrôleur mémoire est intégré au processeur et le chipset est devenu un southbridge amélioré.

Le chipset est relié au processeur par un bus de données appelé FSB (Front Side Bus). Ce bus transporte les données entre le processeur et le chipset. La configuration du chipset est stockée dans une mémoire flash appelée BIOS (Basic Input/Output System). Le BIOS est un logiciel qui permet de configurer les paramètres de la carte mère.

À l'époque le BIOS offrait un accès très minimaliste à l'utilisateur. On pouvait le configurer avec un clavier et un écran qui n'affichait que des caractères.

De nos jours, le BIOS a été remplacé par l'UEFI (Unified Extensible Firmware Interface). L'UEFI est un logiciel plus évolué qui permet de configurer la carte mère avec une interface graphique. Il est possible de configurer la carte mère avec une souris et un écran tactile.

Le processeur¤

Le processeur est le cerveau de l'ordinateur. C'est lui qui exécute les instructions des programmes. La figure suivante montre un processeur Intel i7-12700K dans son format LGA 1700. C'est-à-dire qu'il comporte 1700 broches pour se connecter à la carte mère.

Sur les 1700 broches on distingue plusieurs types de broches :

• Les broches d'alimentation qui représentent 40..60% des broches. Elles sont nécessaires pour alimenter le processeur avec une tension de 1.2V.
• Le contrôleur mémoire (DDR4/DDR5) qui permet de connecter la mémoire vive au processeur. Cela représente environ 5..15% des broches.
• Les interfaces PCIe qui permettent de connecter des cartes d'extension comme des cartes graphiques, des cartes réseau, des cartes son, etc. Ce processeur supporte jusqu'à 20 lignes différentielles soit 40 broches.
• L'accès DMI, c'est l'interface entre le processeur et le chipset. Un DMI 4.0 x8 signifie qu'il y a 8 lignes (Rx/Tx), soit envron 16 broches.
• L'USB, quelques dizaines de broches.
• Le contrôleur graphique intégré (iGPU) qui comporte des ports HDMI/DisplayPort pour connecter un écran directement au processeur.
• Les interconnexions spécifiques (I2C, SPI, etc.)

Si on consulte le SDM (Software Developer Manual) d'Intel, un document de 5000 pages, on peut trouver des informations très intéressantes. Par exemple le chapitre sur les types numériques montre les différents types d'entiers ( byte, word, dword, qword), de flottants (half, single, double, extended) et de vecteurs (xmm, ymm, zmm, kmm). Il est expliqué que le processeur fonctionne avec le complément à 2 pour les entiers et le IEEE 754 pour les flottants, qu'il est en little-endian et que les registres sont de 64 bits. Le langage C au final est très proche de l'assembleur du processeur.

Chipset¤