A priori, intégrer une mémoire cache L3 est stupide et il serait plus intelligent d'augmenter la taille du cache L2. Mais voilà, il ne s'agit là que d'un à priori qui, en la circonstance, est totalement faux. Je vais donc, dans ce mini article, vous expliquer les avantages à intégrer un cache de niveau 3 (L3) dans un microprocesseur, comme ça sera le cas pour le Prescott d'Intel (Pentium 4 XEON).

La vitesse de fonctionnement d'une mémoire cache dépend en grande partie de sa taille. Par exemple on peut accéder aux informations d'une mémoire cache de 1 Ko beaucoup plus rapidement qu'à celles d'une mémoire de 3 Mo. De ce constat, on comprend que l'augmentation de taille du cache L2 impliquerait une diminution de ses performances. Donc la première idée est d'intégrer une mémoire cache L3 et d'assurer une vitesse de fonctionnement L2 optimum.

La seconde raison, c'est qu'on sait aujourd'hui faire travailler les caches L2 et L3 de telle façon que les informations qu'ils contiennent ne soient pas une exacte copie l'une de l'autre. Ainsi dans le cache L2 seront stockées des informations souvent appelées et dans le cache L3, appelées de temps en temps, mais sans que ce soit les mêmes, du moins en grande partie.

Pour arriver à avoir une coopération utile entre le cache L2 et L3, on utilise différentes méthodes dont une est assez bien connue et consiste à utiliser une organisation des données différente pour chaque niveau de cache. Ainsi l'association d'un cache L2 de type 'n-way associativ' et d'un cache L3 de type 'direct mapped' produit de bons résultats.

Je vous rassure, on ne verra pas d'aussi tôt de mémoire cache L4. L'intérêt de la technique de mémoire cache en cascade (L1,L2,L3) a des limites, par contre on va voir leur taille augmenter dans les années à venir ainsi que leur performances grâce à la réduction de taille des process de fabrication et à l'évolution des transistors. Etre plus petit, c'est bien, mais être plus petit et plus rapide, c'est encore mieux :)

La compression des textures dans un jeu a deux objectifs. Le premier est de réduire la place que peuvent occuper les textures. Le second est d'augmenter la vitesse de traitement des textures par la carte graphique.

1 - Réduire la place occupée par les textures :
Le fait qu'une carte graphique dispose de sa propre mémoire permet à celle-ci de traiter beaucoup plus rapidement les textures qui y seront stockées. D'une part, parce que ces mémoires sont souvent beaucoup plus rapides que celles de la mémoire centrale de l'ordinateur, et d'autre part, le processeur graphique peut y accéder directement sans passer par des intermédiaires.

Si la présence de mémoire assure donc un bon niveau de performances, elle implique aussi une limite quant à la quantité de textures que la carte graphique peut gérer de façon autonome. Si cette limite est dépassée, alors le processeur graphique doit faire appel à la mémoire RAM centrale de l'ordinateur avec pour conséquence une chute des performances.

L'objectif de la compression des textures est justement d'assurer que même avec une quantité de textures supérieure aux capacités de stockage de la carte graphique, celles-ci puissent être stockées une fois compressées.

2 - Vitesse de traitement des textures :
Le principal goulet d'étranglement dans les performances d'une carte graphique se situe dans la quantité d'informations échangées en permanence dans le processeur et la mémoire de la carte graphique. En compressant les textures, on diminue la quantité de ces échanges tout en obtenant le même résultat. Autrement dit, dans un temps donné, une carte graphique va pouvoir gérer plus de textures si elles sont compressées que si elles ne le sont pas. La conséquence directe est une augmentation de la vitesse d'affichage des jeux. En moyenne, ce gain est de l'ordre de 5% à 10%.

Pour finir, il faut rappeler que pour les jeux, il existe deux principales méthodes de compression de textures, le S3TC et le DXTC, mais ces méthodes ne sont pas vraiment concurrentes puisque la S3TC est spécifique à l'API Opengl et le DXTC à l'API D3D de DirectX.

Beaucoup de gens pensent que la compression des textures est activée dans le jeu Serious Sam 1 et 2. C'est malheureusement faux. Pour l'activer, vous devez aller dans les options avancées et modifier les paramètres indiqués par l'image ci-dessous. Le gain de performances que vous allez obtenir est entre 5% à 10% en moyenne.

Maintenant on peut se demander pourquoi la compression n'est-elle pas activée par défaut dans le jeu Serious Sam ? Les textures fournies avec le jeu ne sont pas des textures compressées. Lorsqu'on active l'option de compression des textures, le jeu doit lire les textures de base pour les transformer en textures compressées. Or, pour différentes raisons, cette transformation met plusieurs dizaines de secondes à plusieurs minutes au lancement de chaque carte (map) de jeu. C'est évidemment beaucoup trop long et la majorité des joueurs seraient exaspérés par ce problème.

Il faut espérer qu'à l'avenir Croteam, la société conceptrice du jeu Serious Sam, saura améliorer son algorithme de compression ou trouver un palliatif comme la création d'un répertoire qui contiendrait l'ensemble des textures compressées, compression qui pourrait avoir lieu à l'installation du jeu et non à chaque lancement de carte (map) de jeu.

Cette question m'a été posée par un lecteur et comme je la trouve très intéressante pour les non-techniciens, je me propose d'y répondre dans ce mini-article. Il y a 3 raisons qui font qu'on utilise le silicium plutôt qu'un autre matériau pour les microprocesseurs.

1 - Le silicium est un semi-conducteur.
Les semi-conducteurs sont des matériaux qui ne sont ni de vrais isolants, ni de vrais conducteurs de courant. Toutefois, en modifiant légèrement leur composition, ils deviennent de très bons isolants ou conducteurs. Le silicium est un de ces matériaux, le germanium en est un autre.

Si on intègre des atomes d'oxygène dans le silicum pour le transformer en oxyde de silicium, il devient un isolant. Si on intègre des 'impuretés' dans le silicium, il devient conducteur. Les 'impuretés' est le nom qu'on donne aux atomes qu'on va intégrer dans le silicium pour le transformer en conducteur. Par exemple, le phosphore pour le silicium, et l'arsenic pour le germanium.

2 - Le silicium ne coûte pas très cher.
Le silicium provient de la silice qui elle-même provient du sable, ce dernier élément étant assez répandu sur notre planète. La fabrication des disques de silicium avec lesquels seront fabriqués les microprocesseurs reste donc à un prix abordable. Ce n'est pas le cas du germanium, plus difficile à obtenir en quantité industrielle.

3 - Le silicium se plie aux procédés industriels.
Fabriquer un microprocesseur dans un laboratoire au utilisant le nec plus ultra de la technologie est une chose, le faire dans une usine qui doit produire des millions de microprocesseurs par an en est une autre. Ainsi, il existe des microprocesseurs expérimentaux au germanium, mais leur industrialisation n'est pas encore chose possible pour des microprocesseurs comme ceux équipant nos ordinateurs familiaux bien que le germanium soit nettement plus intéressant puisqu'il conduit le courant plus rapidement que le silicium.

Un autre aspect est que le silicium s'associe assez bien avec d'autres matériaux. Si les transistors qui composent nos microprocesseurs sont surtout composés eux-mêmes de silicium, il faut aussi utiliser du métal conducteur ne serait-ce que pour les relier entre eux. Le germanium se prête très mal à ce genre d'association, quoique d'importants progrès ont été faits. Mais même pour le silicium, ce n'est pas aussi simple et si on a utilisé de l'aluminium comme conducteur, ce n'est pas par hasard. Ce n'est que récemment qu'on a su produire industriellement des microprocesseurs utilisant le cuivre, bien meilleur conducteur que l'aluminium.

Voilà pourquoi le silicium a été choisi dès les années 1970 par des sociétés comme Intel pour fabriquer les premiers microprocesseurs, et est encore majoritairement employé. Toutefois, des équipes travaillent pour utiliser des matériaux semi-conducteurs plus performants que le silicum (comme germanium) et d'ici 10 ans, il n'est pas impossible qu'elles aboutissent à un résultat exploitable à l'échelle industrielle.

Selon les spécificités techniques des Radeon 8500 et 8500LE, la différence est uniquement située dans leur fréquence de fonctionnement respective (processeur graphique et mémoire), 275 MHz pour la Radeon 8500 et 250 MHz pour la 8500LE.

Normalement, cette différence dans les fréquences de fonctionnement devrait se concrétiser dans la pratique par une différence de 10% au maximum dans les tests. Or, j'ai pu constaté que certains tests montraient une différence plus importante. J'ai donc relu d'anciens tests et lu avec attention les nouveaux, et il se confirme à mon sens que les différences entre ces deux cartes excèdent parfois plus de 10% sans que l'on puisse attribuer cela à une erreur des testeurs.

A quoi est-ce due ? La différence est d'autant plus importante que l'on monte en résolution (sans FSAA, ni anisotropie). Or, en augmentant la résolution, on augmente l'activité de la mémoire. L'explication de cette différence réside donc, à mon avis, dans la mémoire et plus particulièrement dans les timings mémoires, c'est-à-dire les paramètres qui contrôlent le bon fonctionnement de la mémoire.

S'il s'agit effectivement des timings mémoires, alors cette limitation de performances provient du bios des cartes qui les définit au démarrage de la machine. C'est l'hypothèse la plus vraisemblable.

Toutefois, il existe une incertitude sur ce que je viens de vous révéler. Il est possible que les mémoires des Radeon 8500 et 8500LE utilisées lors des différents tests que j'ai pu lire, ne soient pas exactement les mêmes, ou que les deux cartes ATI ne soient pas de même génération ou qu'ATI aurait apporté des modifications pour augmenter les performances mémoires, puisqu'on sait aujourd'hui que le contrôleur mémoire, intégré au processeur graphique des carte ATI de type 8500, n'est pas des plus performant. Dans cette situation, il est possible que cela soit indépendant d'une volonté d'ATI de marquer plus les différences entre ces deux cartes et qu'une réelle différence technique existe.

Si vous avez des informations sur ce sujet, n'hésitez pas à me contacter :).

Mise à jour du 26 avril :
Après une petite discussion avec Marc Prieur du site hardware.fr (24 avril), il devait faire des tests avec des Radeon 8500 et 8500LE. Les résultats confirment et infirment ce que j'ai dit. En fait, dans la la majorité des cas, la différence de résultats entre une 8500 et 8500LE n'exède pas 10% (en prenant en compte une marge d'erreur de +/-2%) Cela infirme donc ma théorie. Toutefois marc à découvert lors de ces tests que certaines cartes Radeon non fabriquées par ATI disposent de bios amélioré, ce qui confirme ma théorie.

En conclusion si entre une radeon 8500 et 8500LE il y a dans les mêmes tests plus de 10% d'écart, cela est dû, généralement, à des erreurs de l'auteur des tests et parfois à l'utilisation d'une carte aux timings mémoires boosté.

Voila, maintenant on comprend mieux pourquoi certaines valeures de test sont bizarres.

Le Barton devait être une version du Thoroughbred fabriqué avec la technologie SOI qui permet de diminuer la tension à appliquer au microprocesseur et l'effet Joule, donc l'échauffement. Mais d'après la dernière 'road map' (planification des produits à venir), il semblerait que le Barton disposerait bel et bien d'une mémoire cache plus importante avec un cache L2 de 512 ko au lieu de 256 Ko.

Si cela se confirme, se sera une excellente chose pour les utilisateurs car un tel microprocesseur s'avérerait réellement plus puissant qu'un Northwood, même avec 20% d'écart de fréquence en faveur de ce dernier. Par contre pour Intel, je me demande si c'est une bonne nouvelle. Effectivement, cela signifie qu'AMD ne craint pas du tout de proposer commercialement des microprocesseurs à fréquence inférieure et d'être jugée de technologie inférieure par l'acheteur lambda, même si les gens avertis savent que cela est faux.

La société Intel aurait-elle des petits problèmes pour monter en fréquence ses Pentium 4 commercialement plus vite qu'elle ne le pensait ? Bonne question et je vous laisse y répondre ;).

Une dernière chose, il semblerait aussi que le Barton n'utiliserait finalement pas la technologie SOI. Là, je reconnais que je suis surpris. Bien que technologiquement possible (sans difficultés), le Barton ne montera pas à plus de 2,2 GHz. A priori, cela laisserait à penser qu'Intel pourrait reprendre le large dans la course à la fréquence et donc à la performance brute, mais on peut aussi envisager que si AMD ne s'inquiète pas de cela, c'est que la prochaine génération de microprocesseurs (le Hammer) est peut-être plus proche d'être commercialisée qu'on ne le pense. Or, le Pentium 4 Northwood n'est pas un concurrent sérieux pour le Hammer.

Ah, beaucoup de questions, peu de réponses. Patientons, patientons, il n'empêche qu'Intel a du mal à mettre la pression sur AMD, ce serait plutôt l'inverse ;)

Western Digital a pris l'initiative il y a quelques mois d'intégrer une mémoire cache de 8 Mo sur son disque dur IDE haut de gamme de 120 Go. Ce qui pouvait apparaître comme une particularité devient aujourd'hui une ébauche de généralisation de cette taille de mémoire cache, puisque c'est à présent les disques de 100 Go et 80 Go du même constructeur qui en bénéficient.

Que signifie cela ? Que dans les mois ou l'année à venir, une taille de 8 Mo de mémoire cache se généralisera à l'ensemble des disques durs, tous constructeurs confondus.

D'un point de vue pratique, quel gain cela apporte-t-il ? Pour les tests de performances brutes, aucun. Par contre, en utilisation réelle, toutes les applications en bénéficieront : bureautique, multimédia, développement, ...Le gain qu'on peut en attendre sera compris entre 5% et 15% de performances supplémentaires, comparé à un même disque dur, mais n'ayant que 2 Mo de cache mémoire.

Toutefois, on peut supposer que la transition entre 2 Mo et 8 Mo de mémoire cache se fera progressivement et que les constructeurs garderont durant 12 à 18 mois des disques durs bas de gamme avec 2 Mo de mémoire cache. Soyez donc vigilant dans vos achats d'ici quelques mois et durant l'année 2003.

Ces deux microprocesseurs, disponibles respectivement à des prix de 200 et 250€ (environ), ont la particularité de s'overclocker avec une docilité étonnante à 2,133 GHz (16x133) et 2,394 GHz (18x133). Ces fréquences de fonctionnement de ces microprocesseurs correspondent au passage du FSB de 100 MHz à 133 MHz. Or, dans cette situation, la majorité des cartes mères conservent les fréquences de fonctionnement du bus PCI, AGP et de la mémoire. Ce qui signifie que seul le microprocesseur est overclocké. Ce genre d'overclocking est généralement très intéressant car il permet de disposer d'un microprocesseur équivalent au dernier modèle mais pour le prix de modèle d'entrée de gamme sans mettre en péril l'ensemble de votre machine.

Ainsi, les Pentium 4 Northwood 1,6/1,8 GHz sont très recherchés par les connaisseurs. Toutefois, il existe des différences entre ces deux microprocesseurs : la première c'est que si la quasi totalité des versions 1,6 GHz atteignent les 2,133 GHz, ce n'est pas le cas des 1,8 GHz dont le taux de réussite de passage à 2,394 est plutôt de l'ordre de 90%.

Il existe une autre différence qu'on omet un peu trop souvent à mon goût et qui est la raison de ce mini-article. La tension à appliquer à ces microprocesseurs excède souvent les 1,65v pour le 1,8 GHz et rarement les 1,6v pour les 1,6 GHz (cela dépend aussi de la carte mère). Pour un microprocesseur conçu pour une tension de 1,5v, l'obliger à fonctionner à une tension > 1,65v n'est pas sans conséquence. Problème de contrôle de la température, consommation électrique, durée de vie et stabilité générale de la machine.

En résumé, si vous souhaitez un overclocking sportif, prenez un Pentium 4 1,8 Ghz Northwood. si vous voulez faire dans le sûr, prenez la version 1,6 GHz.

On présente souvent le Pentium 4 comme un microprocesseur très différent de ses prédécesseurs (il faut entendre par là supérieur), et dont le réel potentiel n'est pas encore exploité. Oui, enfin le Pentium 4 aura cette année deux ans d'existence commerciale, ce n'est donc plus un microprocesseur jeune. De plus, on commence à connaître ses points faibles. Voyons voir ce qui pourrait être fait pour l'améliorer.

En concevant le Pentium 4, Intel a décidé de mettre en avant les unités d'exécution multimédias et cela s'est traduit par une simplification de l'unité de calcul FPU, qui d'ailleurs peut être considérée comme partie intégrée à l'unité d'exécution multimédia SSE2. Or, dans la pratique, tous les anciens programmes (jeux, bureautique, ...) doivent utiliser la FPU du Pentium 4 et offrent de faibles performances. Pour disposer d'une bonne puissance de calcul, l'exploitation complète du SSE2 implique en partie une optimisation manuelle à laquelle les éditeurs rechignent car longue à mettre en oeuvre et donc coûteuse. Je dis en partie car Intel a fait d'importants efforts pour que ses compilateurs puissent tirer parti automatiquement du SSE2. Au final, les performances en calcul du Pentium 4 restent modestes, et s'il ne disposait pas des capacités à monter si haut en fréquence, il ferait pâle figure face à un Athlon même dans les programmes récents.

On pourrait être tenté de penser que les prochaines versions du Pentium 4 qui succéderont au Northwood bénéficieront de modifications qui permettraient de renforcer la FPU. Mais je ne crois pas à cette solution même si elle serait utile. Je pense avant tout qu'Intel va sortir une nouvelle version de son compilateur qui permettra d'optimiser encore plus l'utilisation du SSE2, qui en soit est une très bonne unité de calcul, c'est juste sa mise en oeuvre qui pose problème. Ensuite, il reste la possibilité d'intégrer une seconde unité de calcul SSE2. Ca vous paraît bizarre ? Pourquoi pas, rien ne s'y oppose sérieusement. Bien sûr, cette dernière solution reste une arme lourde et il est plus envisageable de penser qu'Intel apportera quelques modifications d'architecture, surtout en ce qui conserve l'architecture mémoire. Voyons ça de plus près.

De part sa conception, le Pentium 4 excelle dans la gestion d'importants flux d'informations, en particulier si ces informations sont groupées. Le Pentium 4, plus que tout autre microprocesseur moderne, est très dépendant du débit des mémoires RAM auxquelles il est associé. L'expérience malheureuse avec la RAMBUS a obligé Intel à se rabattre un peu en catastrophe sur la mémoire DDR-SDRAM. Mais le FSB des cartes mères pour Pentium 4 n'est pas conçu pour en tirer au mieux partie. A l'avenir, on verra les Pentium 4 associés à de la mémoire DDR-SDRAM en double canal. Ce qui permettra d'atteindre des débits de 3,2 à 5,6 Go/s. Reste le problème de la mémoire cache.

Le Pentium 4 actuel nommé Northwood a la curieuse particularité de disposer d'un gros cache L2 (512 Ko) et d'un petit cache L1 (8 Ko) pour les données. Que faut-il en penser ? En premier lieu, cela implique que le Pentium 4 est très dépendant de sa mémoire cache L2 et de ses performances. Cela explique pourquoi cette mémoire cache est très performante, mais pas suffisamment puisque Intel a annoncé que les prochaines versions du cache L2 seront encore plus rapides. Une des conséquences sera d'augmenter la puissance de calcul. Eh oui, bon nombre de calculs en informatique sont répétitifs et se passent dans la mémoire cache. Augmenter la vitesse de celle-ci, c'est augmenter la puissance de calcul.

De plus, les futurs Pentium 4 intégreront la technologie hyper-threating. Même si je pense qu'elle ne sera pas le Graal annoncé, en partie à cause des conditions de branchement, elle devrait être assez efficace sur les parties de calcul.

En résumé, les futurs Pentium 4 disposeront :

- De nouveaux outils pour les éditeurs de logiciels afin que l'unité SSE2 soit mieux prise en compte.

- Une architecture mémoire plus performante tant du côté de la mémoire RAM que de la mémoire cache.

- Une puissance de calcul supérieure grâce à des modifications de l'architecture, mais sans modifier réellement les unités d'exécution, quoique cette solution ne peut être totalement exclue.

- Intégration de l'hyper-threating qui permettra d'augmenter le rendement d'exécution des instructions.

- Une augmentation des fréquences de fonctionnement grâce à l'utilisation de nouveaux procédés de fabrication (process 0,09 micron).Toutefois, la différence de fréquence avec les microprocesseurs de la gamme AMD ne devrait pas s'accroître.

Il y a un dernier point, il s'agit des conditions de branchement, c'est-à-dire les instructions qui effectuent des tests de comparaison de valeur dans les programmes. Le Pentium 4 n'excelle pas dans ce domaine en tant que microprocesseur moderne. Or, avec l'arrivée du Hammer d'AMD, dont la conception innovante propose plusieurs améliorations importantes, on peut se demander si Intel ne pourrait pas être tentée de faire un peu évoluer le Pentium 4 sur ce sujet. Mais là je reste dubitatif et c'est pour cela que je ne l'ai pas mis dans la liste des modifications possibles du prochain Pentium 4, mais ça serait sympathique.

Qui vivra verra comme on dit, mais avec l'arrivée d'un microprocesseur comme le Hammer, je doute que les ingénieurs d'Intel se tournent les pouces sous peine de perdre carrément la face ;).

Imaginez-vous sur la grille de départ d'une course automobile. Le départ est donné. Vous prenez un excellent départ, mais vos concurrents aussi, vous passez la seconde vitesse et jetez un coup d'oeil sur votre ordinateur de bord qui vous donne le temps vous séparant de votre adversaire. Vous passez la troisième, le temps qui vous sépare diminue, vous passez la quatrième, le temps qui vous sépare est de plus en plus faible, ...

Evidemment, présenté comme ça, on a l'impression qu'on va vous doubler. Or, il n'en est rien. Pourquoi ? Le temps qui vous sépare des autres concurrents diminue bel et bien, mais n'implique pas que la distance soit modifiée, car plus vous roulez vite, plus le temps nécessaire pour parcourir la distance qui sépare les adversaires est courte.

Dans le jeu NFS5 (Need For Speed), on peut afficher le temps séparant les différents adversaires, et au démarrage d'une course, on peut avoir l'impression d'être rattrapé en voyant les temps séparant les adversaires.

Mais ce n'est pas vraiment un paradoxe, me direz-vous. Ok, c'est plus une illusion, mais admettons que les voitures atteignent une vitesse infinie. Dans ce cas, le temps séparant les concurrents tend vers zéro. Cette dernière affirmation est juste une simple application du calcul infinitésimal mais il serait faux de conclure qu'il n'y aurait plus de vainqueur, de second, ... et de dernier. Pourquoi ? Parce que la relation d'ordre est conservée et que les distances physiques qui séparent les concurrents continuent bien d'exister.

A présent, je vous laisse méditer sur la valeur des grandeurs que sont la distance, le temps et la vitesse. C'est fou ce qu'on peut cogiter en jouant à NFS5 ;).