Diviser pour gagner... en performance. Pour les puces électroniques, la stratégie semble prometteuse. Leur population est soumise à la loi de Moore selon laquelle le nombre de composants intégrés sur une même surface double tous les dix-huit mois. Les fabricants de microprocesseurs entendent continuer à suivre ce rythme fou

Mais, dans le même temps, la fréquence de fonctionnement des processeurs augmente, au point que les architectures de puce actuelles touchent à une limite... thermique.

Car plus la cadence d'un processeur est grande, plus son cœur chauffe. Pour le refroidir, les constructeurs utilisent des dissipateurs métalliques et des ventilateurs. Dont l'efficacité diminue avec la miniaturisation. Dès 2001, Pat Gelsinger, aujourd'hui directeur de la technologie (CTO) d'Intel, soulignait ce problème : au rythme auquel les puces gagnent en cadence et perdent en taille, l'énergie de surface qu'elles dissipent devrait atteindre celle d'un réacteur nucléaire en 2010. Et celle du Soleil en 2015...

Seule solution, répartir l'échauffement sur la surface de la puce. IBM, Sony et Toshiba ont ouvert cette voie en dévoilant, début février, l'architecture de leur nouveau processeur baptisé Cell ("cellule" en anglais). Ce dernier ne compte pas moins de neuf cœurs. Stefan Wald, directeur du développement des processeurs d'IBM à Böblingen (Allemagne), explique que cela permet d'"associer le calcul parallèle et les hautes fréquences pour parvenir à multiplier les performances par 10".

Parallèlement à Sony, le Cell est fabriqué par IBM dans sa nouvelle usine d'East Fishkill (New York, Etats-Unis), qui a nécessité un investissement de 2,5 milliards de dollars (environ 2 milliards d'euros). La nouvelle puce, qui possède 234 millions de transistors gravés avec une finesse de 90 nanomètres (nm), a fonctionné à 4 gigahertz (GHz) en laboratoire. C'est-à-dire une fréquence supérieure à celle des puces les plus rapides aujourd'hui disponibles, comme le Pentium 4 d'Intel, cadencé à 3,8 GHz. "Il s'agit d'un véritable supercalculateur sur une puce", précise M. Wald.

De fait, l'architecture du Cell rappelle les machines "massivement parallèles" qui font appel à des milliers de processeurs pour augmenter leur capacité de calcul. Grâce à la miniaturisation, le nouveau composant intègre les neuf processeurs sur une seule pastille de silicium... Le processeur central servant de chef d'orchestre aux huit autres.

SUR LES APPAREILS NUMÉRIQUES

Cette architecture multicœur destine le Cell à des applications plus spécialisées que celles des processeurs d'ordinateurs multimédias. D'où la présence de Sony dans le projet. Le fabricant japonais a annoncé que le Cell serait intégré à la console de jeux PlayStation 3. De fait, la puce à neuf cœurs est particulièrement adaptée aux fortes puissances réclamées par le traitement en temps réel des images en trois dimensions et du son multicanaux des jeux vidéo. Sony vise également la télévision haute définition (HDTV) et l'ensemble des applications multimédias de salon, nouveau Graal de l'électronique grand public.

A terme, le principe du Cell est destiné à se décliner sur la totalité des appareils numériques tels que les assistants personnels (PDA), les imprimantes ou les décodeurs : il suffit de faire varier le nombre de cœurs en fonction des besoins.

Le Cell ouvre donc la voie à un nouveau type de puces. IBM et Sony s'appuient sur la technologie du processeur Power PC utilisé sur les machines d'Apple (G4). Néanmoins, l'architecture multicœur, si elle s'annonce compatible avec des systèmes d'exploitation comme Linux, impose l'écriture d'applications spécifiques. Une contrainte que les fabricants de processeurs pour ordinateurs craignent plus que tout, étant donné l'immense catalogue de logiciels existant. IBM se montre d'ailleurs très évasif sur l'intégration éventuelle du Cell dans un PC. Seules les stations de travail destinées aux créateurs de jeux vidéo devraient, dans un premier temps, en être équipées.

Pour autant, du côté d'Intel et AMD, l'équation est différente. Confrontés aux exigences de la loi de Moore et de la surchauffe des puces, ils s'orientent néanmoins vers une solution similaire. Début février également, Intel a annoncé avoir achevé la phase de pré-production de nouvelles puces à double cœur. Haïm Ribbi, directeur des marchés grand public d'Intel France, estime que les premières livraisons auront lieu dès le second trimestre. "Fin 2006, les puces multicœurs pourraient représenter 70 % de nos livraisons", indique-t-il.

Fabien Esdourubail, responsable des solutions techniques d'Intel France, précise que la température est bien la raison principale de la conversion au multicœur. "En réduisant légèrement la fréquence du processeur, nous faisons chuter la température de 50 %", note-t-il.

1,7 MILLIARD DE TRANSISTORS

Le travail en parallèle de la puce, grâce à ses deux cœurs, compense le ralentissement. Intel annonce qu'avec les processeurs classiques, les performances auraient été multipliées par trois entre 2000 et 2008. Avec les multicœurs, elles seront décuplées sur la même période. Le tout en évitant de transformer l'ordinateur en turbine bruyante, ce qui ruinerait les efforts du PC pour se loger sous la télévision comme... les consoles de jeux.

Côté compatibilité des programmes avec la nouvelle architecture, Intel note qu'il utilise déjà la technologie Hyper-Threading (HT) ou multitâche qui crée, vu du logiciel, un processeur virtuel supplémentaire permettant de répartir le travail de la puce sur deux canaux parallèles. Le double cœur remplace ce processeur virtuel par un cœur réel. Pour le logiciel, rien ne change. Encore faut-il qu'il soit optimisé pour ce type de traitement en parallèle afin d'en tirer le meilleur profit.

Intel prévoit une véritable explosion du nombre de transistors sur ses puces. Aujourd'hui limité à 170 millions sur le Pentium 4 Extreme Edition à 3,6 GHz, il doit passer à 400 millions sur la famille Itanium en version double cœur."Nous pourrons atteindre 1,7 milliard de transistors avec le même encombrement du processeur", assure M. Esdourubail.

Mi-février, AMD a réagi à ces annonces avec une démonstration de ce qu'il nomme son "écosystème double cœur AMD 64" dévoilé six mois plus tôt. A Boston, lors de la conférence LinuxWorld, le concurrent d'Intel a équipé des serveurs HP et Sun avec quatre processeurs AMD Opteron double cœur. Le fabricant a indiqué qu'il livrait des échantillons de processeurs double cœur pour serveur depuis janvier. Dès mi-2005, il doit lancer une gamme de ces puces pour stations de travail et serveurs.

La microélectronique, qui utilisera des gravures à 65 = nm en 2006, semble donc en mesure de continuer à relever le pari fou de la loi de Moore.

Michel Alberganti

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La loi de Moore, énoncée puis aménagée

Le 19 avril 1965, dans la revue Electronics, Gordon Moore énonçait ce qui allait passer à la postérité sous le nom de "loi de Moore". Le directeur de la R & D de Fairchild Technologies - cofondateur, en 1968, de la société Intel - assurait que le nombre de transistors intégrés sur une même surface de silicium allait, à l'avenir, doubler environ tous les ans. M. Moore se fondait sur les progrès réalisés au cours des toutes premières années de production des puces de silicium. Depuis qu'elle a été formulée, Intel a quelque peu aménagé le fameux principe pour le faire correspondre à la réalité industrielle. La société annonce ainsi sur son site Internet que ses processeurs ont toujours évolué selon le principe d'un doublement du nombre de composants par unité de surface tous les dix-huit à vingt-quatre mois et non tous les ans. Cependant, l'idée essentielle de M. Moore, celle d'une augmentation exponentielle du nombre de composants intégrés, demeure juste.

• ARTICLE PARU DANS L'EDITION LE MONDE 02.03.05