Au cœur de chaque ordinateur, vous trouverez la CPU. L’unité centrale de traitement est un matériel essentiel. Elle fait fonctionner le système d’exploitation et tous les programmes de votre ordinateur. Les CPU sont conçus comme des processeurs polyvalents. De par leur nature même, ils sont censés pouvoir tout gérer.
Cependant, les CPU ne sont pas très performants pour certains types de charges de travail car leur matériel polyvalent ne peut pas être optimisé pour des tâches spécifiques sans perdre sa nature polyvalente. Ou devenir désespérément grand, complexe et cher. En outre, toute unité centrale ne peut traiter qu’une quantité limitée de données et de traitements à la fois. Un coprocesseur est une seconde unité de traitement explicitement conçue pour prendre en charge l’un de ces scénarios ou les deux.
Un coprocesseur est simplement une seconde unité de traitement au sein d’un ordinateur. Dans certains scénarios, il peut s’agir d’une double unité centrale physique sur la même carte mère comme dans certains serveurs. Dans les scénarios de calcul haute performance et de supercalculateurs, ces coprocesseurs à usage général peuvent également se trouver sur des cartes d’extension PCIe. Le coprocesseur est souvent axé sur une tâche spécifique plutôt que sur un processeur à usage général. Ces processeurs spécifiques à une tâche peuvent être fixés directement sur la carte mère ou inclus sur une carte fille séparée comme une carte d’extension PCIe.
Les premiers coprocesseurs
Les premiers coprocesseurs étaient relativement simples. Ils étaient conçus pour gérer les E/S ou entrées et sorties des ordinateurs centraux. Le problème était que le traitement des E/S était une tâche très chronophage pour l’unité centrale. La tâche de traitement proprement dite, cependant, était relativement simple. Il était donc assez bon marché de fabriquer un processeur pour la gérer. Pendant que le coprocesseur s’occupait efficacement des E/S, l’UC n’avait plus qu’à émettre de simples paramètres d’E/S, ce qui libérait du temps de processeur et augmentait les performances du système.
Le PC IBM original comprenait un coprocesseur arithmétique à virgule flottante en option. Les processeurs de l’époque effectuaient ce type de calcul dans un logiciel qui était lent mais suffisamment fonctionnel pour les rares cas où la plupart des utilisateurs en avaient besoin. Cependant, les systèmes de conception assistée par ordinateur, ou CAO, utilisaient constamment ce type de calcul. En séparant l’arithmétique en virgule flottante sur un coprocesseur, non seulement les vitesses étaient augmentées en cas de besoin, grâce à l’accélération matérielle, mais les utilisateurs qui n’en avaient pas besoin pouvaient économiser de l’argent en achetant un système sans coprocesseur.
Finalement, ces simples coprocesseurs ont vu leurs fonctions intégrées dans l’architecture des CPU. C’est en partie le résultat naturel du développement continu des CPU, mais c’est aussi lié aux difficultés à poursuivre la synchronisation simple lorsque les vitesses d’horloge des CPU augmentent. Si ces unités centrales et coprocesseurs fonctionnaient assez bien à 75 MHz, les problèmes de retard, de consommation d’énergie et d’interférences radioélectriques seraient énormes aux fréquences GHz d’aujourd’hui. Ces problèmes ont nécessité des systèmes de signalisation plus complexes entre les CPU et les coprocesseurs modernes.
GPU
Le GPU ou Graphics Processing Unit est probablement la forme la plus connue du coprocesseur. Ils sont conçus pour être optimisés pour la charge de travail hautement parallélisable du rendu graphique. Les CPU peuvent effectuer cette tâche en logiciel ou avec une puce graphique intégrée. Cependant, pour offrir les hautes performances des GPU modernes, il faudrait intégrer l’ensemble de la puce du GPU dans la puce du CPU.
Cela augmenterait massivement le coût et la complexité d’un CPU, ainsi que la production de chaleur. Les puces graphiques intégrées occupent déjà une bonne partie de l’espace du processeur. Elles peuvent réduire la vitesse globale du processeur en raison de leur dégagement de chaleur.
Carte son
Historiquement, les processeurs pouvaient traiter les signaux audio mais n’étaient pas fantastiques à cet égard. Les artefacts audio et les parasites qui en résultaient ont conduit à la création de cartes son. Celles-ci fournissaient des ports d’entrée et de sortie audio et effectuaient le traitement audio réel sur la carte son elle-même. Cela a permis d’améliorer considérablement l’isolation du signal et la qualité de la sortie audio. Si certaines cartes son existent encore, elles sont totalement inutiles dans les ordinateurs modernes, le traitement du son étant intégré directement sur les cartes mères. Les processeurs sont bien meilleurs qu’à l’apogée des cartes son.
NPU
Un type de coprocesseur relativement récent est le NPU ou Neural Processing Unit. Ils sont conçus pour exécuter ou accélérer les charges de travail de l’IA. À un niveau élevé, les NPU sont assez similaires aux GPU, mais avec des optimisations spécifiques aux charges de travail de l’IA. Au fur et à mesure que les performances des charges de travail de l’IA deviendront une chose que les utilisateurs normaux utiliseront sur les smartphones et les ordinateurs, ces unités deviendront probablement plus courantes.
Coprocesseurs intégrés
Les CPU modernes intègrent de nombreuses formes de coprocesseurs directement dans la matrice ou l’architecture globale du CPU. On le voit facilement avec les puces graphiques intégrées gravées dans le même silicium que le reste de l’unité centrale. Cependant, le traitement réel n’est pas effectué par les cœurs du CPU. Dans les CPU Ryzen d’AMD, il y a également une puce E/S séparée qui gère la communication entre les puces et le reste de l’ordinateur. Certains appareils mobiles modernes sont également équipés de NPU pour le traitement de l’intelligence artificielle.
Conclusion
Un coprocesseur est un processeur secondaire, tertiaire, quaternaire, etc. dans un dispositif informatique où le CPU est le processeur principal. Il n’y a pas de limite au nombre de coprocesseurs dans un système. Cependant, le support logiciel/matériel, la dissipation thermique, l’espace physique et le coût jouent tous un rôle.
Un coprocesseur gère des tâches pour le CPU qui améliorent les performances globales à la fois dans la tâche spécifique en l’exécutant de manière optimisée, et dans d’autres tâches, en évitant au CPU de gaspiller sa puissance de traitement en exécutant la tâche de manière non optimisée. Au fil du temps, de nombreux coprocesseurs sont intégrés dans les CPU au fur et à mesure des progrès technologiques. Cependant, des limites de puissance et de température restreignent cette possibilité dans certains scénarios.