Un ordinateur est une machine électronique capable de recevoir, mémoriser, traiter et transmettre des informations. Il exécute des programmes constitués d'instructions qui déterminent les opérations à effectuer.

Les informations manipulées par un ordinateur sont représentées sous forme de données numériques. Un texte, une image, un son ou une vidéo est ainsi transformé en données que les circuits électroniques peuvent stocker, déplacer et traiter.

Matériel et logiciels

Un ordinateur associe deux éléments complémentaires : le matériel (hardware) et les logiciels (software).

Le matériel regroupe les éléments physiques de la machine : composants électroniques, mémoire, stockage et périphériques. Les logiciels regroupent les programmes et les données qui permettent d'utiliser ce matériel pour réaliser des tâches.

Le traitement de l'information

Le fonctionnement d'un ordinateur repose sur un cycle de traitement de l'information. Les données et les instructions sont stockées en mémoire, le processeur exécute les instructions et les résultats sont enregistrés, transmis à d'autres composants ou envoyés vers des périphériques.

Ces opérations s'effectuent à très grande vitesse. Le processeur traite continuellement des instructions tandis que les différents composants échangent des données par l'intermédiaire des circuits de communication de la machine.

Le système d'exploitation

Le système d'exploitation est le logiciel principal qui organise l'utilisation de l'ordinateur. Il gère les ressources matérielles, la mémoire, les fichiers, les périphériques et les communications entre les programmes et les composants.

Il fournit également les fonctions utilisées par les applications pour accéder au matériel. Une application peut ainsi utiliser un fichier, afficher une image, produire un son ou communiquer sur un réseau en passant par les services du système d'exploitation.

Les différents ordinateurs

Les ordinateurs existent sous des formes adaptées à des usages très différents. Un ordinateur de bureau privilégie généralement les performances et l'évolutivité. Un ordinateur portable rassemble ses composants dans un appareil transportable fonctionnant sur batterie.

Les serveurs fournissent des services ou des ressources à d'autres machines connectées à un réseau. Les supercalculateurs sont conçus pour réaliser des calculs scientifiques à très grande échelle. Les ordinateurs embarqués sont intégrés dans des véhicules, des machines industrielles, des robots ou des appareils électroniques.

L'informatique

L'informatique est la science du traitement automatique de l'information par des machines. Elle comprend notamment la programmation, les logiciels, les systèmes d'exploitation, les réseaux, les bases de données, la cybersécurité, l'intelligence artificielle et le traitement des données numériques.

Un ordinateur constitue ainsi un ensemble organisé de composants matériels et de logiciels qui coopèrent pour stocker, traiter et échanger des informations.

Le processeur, souvent appelé CPU (Central Processing Unit, « unité centrale de traitement »), est le composant qui exécute les instructions des programmes. On le compare souvent au cerveau de l'ordinateur, même si cette comparaison reste une simplification : le processeur ne travaille jamais seul et dépend de la mémoire, du stockage, de la carte mère et des autres composants.

Lorsqu'un programme doit être exécuté, ses instructions et les données dont il a besoin sont chargées depuis le stockage vers la mémoire vive (RAM). Le processeur peut alors accéder rapidement à ces informations et exécuter les instructions demandées.

Le cycle d'instruction

Pour exécuter un programme, le processeur réalise en permanence des opérations élémentaires. Dans une présentation simplifiée, une instruction est d'abord cherchée en mémoire, puis décodée afin de déterminer ce qu'elle demande, et enfin exécutée.

Cette succession est souvent appelée cycle d'instruction. En réalité, les processeurs modernes sont beaucoup plus complexes : ils peuvent commencer plusieurs instructions avant que les précédentes soient complètement terminées et réorganiser certaines opérations pour utiliser au mieux leurs différentes unités de calcul.

Le processeur répète ces opérations à une très grande vitesse. Une seule action réalisée par l'utilisateur, comme ouvrir une image ou lancer un programme, peut nécessiter l'exécution d'un très grand nombre d'instructions.

Les instructions

Un processeur ne comprend pas directement les langages de programmation utilisés par les humains. Les programmes sont finalement transformés en une suite d'instructions machine adaptées à l'architecture du processeur.

Une instruction peut par exemple demander au processeur d'effectuer une addition, de comparer deux valeurs, de déplacer une donnée, de réaliser une opération logique ou de modifier l'endroit où il ira chercher la prochaine instruction.

Les instructions sont représentées sous forme binaire, c'est-à-dire avec des suites de 0 et de 1. Les circuits électroniques du processeur interprètent ces informations grâce à des milliards de transistors qui fonctionnent comme des interrupteurs électroniques.

Les unités de calcul

Le processeur contient plusieurs unités spécialisées capables de réaliser différents types d'opérations.

L'unité arithmétique et logique, ou ALU (Arithmetic Logic Unit), réalise notamment des opérations arithmétiques et logiques : additions, soustractions, comparaisons, opérations booléennes et manipulations de bits.

Les processeurs modernes possèdent également d'autres unités spécialisées, notamment pour les calculs sur des nombres à virgule flottante ou pour effectuer plusieurs opérations similaires en parallèle. Ces unités sont particulièrement utiles pour certains traitements scientifiques, graphiques, multimédias ou techniques.

Les registres

À l'intérieur du processeur se trouvent de petites mémoires extrêmement rapides appelées registres.

Les registres servent à conserver temporairement les valeurs utilisées directement par les unités de calcul. Ils peuvent contenir des nombres, des adresses mémoire, des résultats intermédiaires ou d'autres informations nécessaires au fonctionnement du processeur.

Leur capacité est très faible par rapport à celle de la RAM, mais leur accès est extrêmement rapide. Ils sont donc utilisés pour les données dont le processeur a besoin immédiatement.

L'unité de contrôle

Le processeur possède également des circuits chargés de contrôler l'exécution des instructions. Ils déterminent quelles opérations doivent être effectuées et coordonnent les différentes unités internes.

Le processeur doit notamment savoir quelles données utiliser, quelle unité de calcul activer et où trouver l'instruction suivante. Cette coordination permet de transformer une suite d'instructions en opérations réellement exécutées par les circuits électroniques.

La mémoire cache

Entre les registres du processeur et la RAM se trouvent plusieurs niveaux de mémoire cache. Leur rôle est de conserver temporairement les données et instructions auxquelles le processeur risque d'accéder prochainement.

La mémoire cache est beaucoup plus rapide que la RAM, mais elle est également beaucoup plus petite. Les processeurs modernes possèdent généralement plusieurs niveaux appelés L1, L2 et L3.

Le cache L1 est généralement le plus petit et le plus rapide. Le L2 offre davantage de capacité avec un accès légèrement plus lent. Le L3 est encore plus grand mais plus lent que les niveaux précédents. Cette organisation permet de rapprocher les données les plus utiles des unités de calcul.

Les cœurs du processeur

Un processeur moderne possède généralement plusieurs cœurs (cores). Chaque cœur dispose de ses propres unités permettant d'exécuter des instructions.

Un processeur à quatre cœurs peut donc exécuter plusieurs suites d'instructions simultanément. Cela est particulièrement utile lorsqu'un ordinateur doit effectuer plusieurs tâches en même temps ou lorsqu'un programme est conçu pour répartir son travail sur plusieurs cœurs.

Le nombre de cœurs ne suffit cependant pas à déterminer les performances d'un processeur. Deux processeurs possédant le même nombre de cœurs peuvent avoir des performances très différentes selon leur architecture, leur fréquence, leur mémoire cache et les technologies qu'ils utilisent.

Le multithreading

Certains processeurs permettent à un même cœur de gérer plusieurs threads simultanément. Cette technique permet au processeur de mieux utiliser ses ressources lorsqu'un thread doit attendre certaines données ou certaines opérations.

Un processeur possédant huit cœurs peut ainsi apparaître au système d'exploitation comme disposant de davantage de processeurs logiques. Cela ne signifie toutefois pas qu'il possède réellement autant de cœurs physiques supplémentaires.

La fréquence d'horloge

Le fonctionnement du processeur est synchronisé par une horloge. Sa fréquence est exprimée en hertz (Hz).

Une fréquence de 4 GHz correspond à environ 4 milliards de cycles d'horloge par seconde. Chaque cycle fournit un rythme de fonctionnement aux circuits du processeur.

Il ne faut cependant pas confondre cycles d'horloge et instructions. Une instruction peut nécessiter plusieurs cycles, tandis que certaines architectures peuvent commencer ou terminer plusieurs instructions au cours d'un même cycle.

La fréquence seule ne permet donc pas de comparer correctement deux processeurs. Leur architecture et leur capacité à effectuer efficacement les instructions sont également déterminantes.

Le parallélisme

Les processeurs modernes utilisent différentes formes de parallélisme pour traiter davantage de travail dans un même laps de temps.

Plusieurs cœurs peuvent exécuter simultanément différentes parties d'un programme. À l'intérieur d'un même cœur, plusieurs unités de calcul peuvent également fonctionner en parallèle. Le processeur peut aussi préparer plusieurs instructions à l'avance afin d'éviter de laisser ses unités de calcul inutilisées.

Cette organisation permet d'obtenir des performances bien supérieures à celles d'un processeur qui exécuterait strictement une instruction après l'autre.

Le processeur et la RAM

Le processeur a besoin de la mémoire vive pour accéder rapidement aux programmes et aux données qu'il doit traiter. Lorsqu'une donnée nécessaire n'est pas présente dans le cache, le processeur doit généralement la récupérer depuis la RAM.

La RAM possède une capacité beaucoup plus importante que le cache, mais elle est plus lente. Le cache permet donc de conserver près du processeur les informations qui sont utilisées fréquemment.

Lorsque l'ordinateur manque de RAM, le système d'exploitation peut utiliser une partie du stockage comme mémoire virtuelle. Comme un SSD ou un disque dur est beaucoup plus lent que la RAM, cela peut fortement réduire les performances lorsque ce mécanisme est utilisé de manière importante.

Le processeur et les autres composants

Le CPU ne réalise pas tous les traitements de l'ordinateur. Il communique avec différents composants et leur confie certaines tâches.

La carte graphique possède par exemple son propre processeur spécialisé, le GPU, qui est particulièrement adapté aux calculs massivement parallèles nécessaires à la génération d'images et à de nombreux autres traitements.

Le processeur communique également avec la RAM, les supports de stockage, les périphériques et les contrôleurs présents sur la carte mère. Il coordonne l'exécution des logiciels mais ne remplace donc pas les autres composants.

La consommation et la chaleur

Comme tous les circuits électroniques, le processeur consomme de l'énergie et produit de la chaleur.

Plus le processeur effectue de travail et plus sa consommation peut augmenter. Il doit donc être associé à un système de refroidissement capable d'évacuer cette chaleur.

Dans un ordinateur de bureau, le refroidissement utilise généralement un radiateur métallique associé à un ventilateur. Certains ordinateurs utilisent également un système de refroidissement liquide.

Lorsque la température devient trop élevée, le processeur peut automatiquement réduire sa fréquence et sa tension afin de diminuer sa consommation et sa température. Ce mécanisme de protection est notamment appelé thermal throttling.

La fabrication du processeur

Un processeur est fabriqué à partir d'un semi-conducteur, généralement du silicium. Des procédés de fabrication extrêmement précis permettent de créer des milliards de transistors sur une petite surface.

Les transistors sont reliés entre eux pour former les différentes unités du processeur : unités de calcul, registres, caches, circuits de contrôle et autres circuits spécialisés.

Les dimensions utilisées dans la fabrication des transistors sont extrêmement petites et sont généralement exprimées en nanomètres (nm). La finesse de gravure constitue un élément important de la fabrication, mais elle ne suffit pas à elle seule à déterminer les performances d'un processeur.

Les processeurs spécialisés

Tous les processeurs ne sont pas conçus pour les mêmes usages. Le CPU d'un ordinateur généraliste est conçu pour exécuter une grande variété d'instructions, tandis que d'autres processeurs sont spécialisés dans certaines catégories de calculs.

Le GPU est particulièrement adapté au traitement parallèle de grandes quantités de données. D'autres composants spécialisés peuvent être conçus pour accélérer le traitement du son, de la vidéo, du chiffrement ou encore certaines tâches liées à l'intelligence artificielle.

Un ordinateur moderne associe ainsi plusieurs types de processeurs et d'accélérateurs afin de répartir efficacement les différents traitements.