III) Architecture de von Neumann

Comme vous avez pu le constater dans les exemples ci-dessus, les données et les instructions sont stockées en mémoire vive, les données et les instructions se partagent la mémoire vive (il n'y a pas une mémoire pour les instructions et une mémoire différente pour les données). C'est John von Neumann (mathématicien et physicien américano-hongrois 1903-1957) qui a eu l'idée en 1945 d'utiliser une structure de stockage unique pour les données et les instructions, voilà pourquoi on parle d'architecture de von Neumann. Voici un schéma qui représente ce modèle de von Neumann :

modèle de von Neumann d'après le site https://interstices.info/ :

Sur ce schéma, nous avons :

La mémoire qui correspond à la RAM vue ci-dessus
L'unité arithmétique et logique qui correspond à l'UAL vu ci-dessus (l'accumulateur est un registre permettant de stocker les résultats intermédiaires lors d'un calcul)
L'unité de commande qui gère l'exécution des instructions machines (voir ci-dessus). À noter que cette unité de commande est aussi parfois appelée "unité de contrôle"
Le système "entrée-sortie" qui permet de communiquer avec "le monde extérieur" au système CPU+RAM (clavier, souris, écran, carte graphique, disque dur...)

Encore aujourd'hui, tous les ordinateurs fonctionnent sur ce principe défini par von Neumann. À noter que John von Neumann était un véritable génie "touche à tout" puisqu'il a laissé son nom dans l'histoire de la mécanique quantique, dans l'histoire de la théorie des ensembles...et comme nous venons de le voir, dans l'histoire de l'informatique. Il a aussi participé à l'élaboration de la bombe atomique américaine lors de la 2e guerre mondiale (projet Manhattan).

Pendant des années, pour augmenter les performances des ordinateurs, les constructeurs augmentaient la fréquence d'horloge des microprocesseurs : la fréquence d'horloge d'un microprocesseur est liée à sa capacité d'exécuter un nombre plus ou moins important d'instructions machines par seconde. Plus la fréquence d'horloge du CPU est élevée, plus ce CPU est capable d'exécuter un grand nombre d'instructions machines par seconde (en fait, c'est un peu plus compliqué que cela, mais nous nous contenterons de cette explication).

évolution de la fréquence d'horloge du CPU dans le temps :

Comme vous pouvez le remarquer sur le graphique ci-dessus, à partir de 2006 environ, la fréquence d'horloge a cessé d'augmenter, pourquoi ? À cause d'une contrainte physique : en effet plus on augmente la fréquence d'horloge d'un CPU, plus ce dernier chauffe. Il devenait difficile de refroidir le CPU, les constructeurs de microprocesseurs (principalement Intel et AMD) ont décidé d'arrêter la course à l'augmentation de la fréquence d'horloge, ils ont décidé d'adopter une nouvelle tactique.

Il n'est plus vraiment possible d'augmenter les performances en augmentant la fréquence d'horloge des CPU, et bien augmentons le nombre de coeurs présent sur un CPU ! Mais qu'est qu'un coeur dans un microprocesseur ? Dans un microprocesseur, un coeur est principalement composé : d'une UAL, de registres (R0, R1...) et d'une unité de commande, un coeur est donc capable d'exécuter des programmes de façon autonome. La technologie permettant de graver toujours plus de transistors sur une surface donnée, il est donc possible, sur une même puce, d'avoir plusieurs coeurs, alors qu'auparavant on trouvait un seul coeur dans un CPU. Cette technologie a été implémentée dans les ordinateurs grand public à partir de 2006. Aujourd'hui (en 2019) on trouve sur le marché des CPU possédant jusqu'à 18 coeurs ! Même les smartphones possèdent des microprocesseurs multicoeurs : le Snapdragon 845 possède 8 coeurs.

On pourrait se dire que l'augmentation du nombre de coeurs entraîne obligatoirement une augmentation des performances du CPU, en faite, c'est plus que complexe que cela : pour une application qui n'aura pas été conçue pour fonctionner avec un microprocesseur multicoeur, le gain de performance sera très faible, voir même nul. En effet, la conception d'applications capables de tirer profit d'un CPU multicoeur demande la mise en place de certaines techniques de programmation (techniques de programmation qui ne seront pas abordées ici). Il faut aussi avoir conscience que les différents coeurs d'un CPU doivent se "partager" l'accès à la mémoire vive : quand un coeur travaille sur une certaine zone de la RAM, cette même zone n'est pas accessible aux autres coeurs, ce qui, bien évidemment va brider les performances. De plus, on trouve à l'intérieur des microprocesseurs de la mémoire "ultrarapide" appelée mémoire cache (il ne faut pas confondre mémoire cache et registres). Le CPU peut stocker certaines données dans cette mémoire cache afin de pouvoir y accéder très rapidement dans le futur, en effet, l'accès à la mémoire cache est beaucoup plus rapide que l'accès à la RAM. La mémoire cache ayant un coup assez important, la quantité présente au sein d'un CPU est assez limitée, les différents coeurs vont donc devoir se partager cette mémoire cache, ce qui peut aussi provoquer des ralentissements (en faite il existe plusieurs types de mémoire cache appelés L1, L2 et L3, chaque coeur possède son propre cache L1, alors que les caches L2 et L3 sont partagés par les différents coeurs).