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Processeurs ARM : un nouveau pas vers les serveurs
Article mis en ligne le 3 février 2014
dernière modification le 16 avril 2014

par Laurent Bloch
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Dans article précédent de ce site, qui rappelait que les microprocesseurs ARM étaient les plus répandus dans le monde, je défendais l’idée que l’architecture ARM était porteuse d’avenir pour l’industrie informatique, parce qu’elle était plus efficace que l’architecture Intel x86 (ou x86-64), alourdie par le nécessité de rester compatible avec ses origines des années 1980, pour ne pas dire 1970. Les processeurs ARM équipent aujourd’hui la majorité des téléphones portables et des tablettes, à commencer par les produits d’Apple, iPhone et iPad.

 Intel et le poids du passé

Les premiers processeurs Intel reposaient sur une architecture CISC (Complex instruction set computing), considérée aujourd’hui comme lourde et inefficace par rapport à l’architecture RISC (Reduced Instruction Set Computer), et depuis quarante ans Intel reconduit la compatibilité rétrospective avec ses anciens modèles, c’est l’inconvénient d’être le pionnier.

Pour bénéficier des avantages du RISC en termes de performances, Intel place aujourd’hui au cœur de ses processeurs une circuiterie RISC, enfouie sous une couche micro-programmée qui présente l’interface CISC traditionnelle. Selon François Anceau, le processeur RISC enfoui tournerait à 10 GHz pour produire le processeur CISC exhibé à 3,6 GHz tel que le connaît l’utilisateur. Mais cette conversion RISC-CISC a pour prix une complexité considérable, qui se traduit par de la surface de die (2 à 3 cm2), par de la puissance électrique (jusqu’à 130 W) et par de la dissipation thermique. Or la consommation électrique et la dissipation thermique sont aujourd’hui les deux principales barrières sur lesquelles butent les architectes de systèmes.

On trouve tout sur Wikipédia, y compris le palmarès des dissipations thermiques des processeurs du marché. On voit que les processeurs Intel pour serveur, à géométrie au pas de 22 nanomètres, c’est-à-dire récents, consomment jusqu’à 130W. On consultera aussi avec profit la base de données publique et ouverte constituée par le VLSI Research Group de l’Université Stanford, qui recueille les données architecturales les plus détaillées possibles sur 790 microprocesseurs construits au cours des 40 dernières années par 17 industriels.

Face à eux, certes moins puissants, on peut examiner les processeurs AMD Opteron A1100 à huit cœurs et architecture ARM 64 bits Cortex-A57, lancés en janvier 2014 : AMD annonce 25W pour ces processeurs destinés au marché des serveurs. Les modèles pour tablettes tournent entre 1 et 2W, les modèles pour smartphones bien en dessous du watt.

 Architecture ARM : nouvelle technologie, nouvelle organisation industrielle

Les processeurs d’architecture ARM, en revanche, ont d’emblée été conçus selon une architecture RISC. On touvera sur le site de l’université de Virginie une présentation assez détaillée des processeurs ARM, avec un schéma de l’organisation générale du System on a Chip (SoC) Texas Instrument OMAP5430, qui comporte deux processeurs ARM Cortex A15 quadricœurs et deux processeurs ARM Cortex M4. En effet, ARM ne fabrique aucun processeur, mais vend à d’autres industriels la licence des circuits de sa conception, que ces derniers assemblent à leur gré en y ajoutant des circuits spécialisés de leur cru ou d’autres origines. Ces SoC sont ensuite fabriqués soit par l’industriel lui-même, soit par une fonderie spécialisée.

Il est à noter que la chaîne de production décrite ci-dessus constitue une révolution dans l’organisation de l’industrie micro-électronique. En effet, depuis le lancement par Intel en 1986 du processeur 80386, cette industrie était organisée verticalement : Intel concevait ses processeurs et les fabriquait dans ses propres usines, de A à Z, et avait mis fin aux accords de seconde source. Le modèle avait été écorné par AMD, quand ce concurrent d’Intel s’était séparé de son activité de fabrication, devenue Global Foundries. Avec le modèle ARM, l’organisation est complètement différente ; le processeur de votre smartphone est issu d’un pipe-line au long duquel se sont succédé quatre ou cinq opérateurs : ARM a conçu les processeurs de cœur du système et en a vendu les plans électroniques à un industriel (Texas Instruments, ou Qualcomm, ou STMicroelectronics, ou un autre, auxquels est récemment venu se joindre AMD). Cet industriel aura intégré le dessin du processeur ARM sur un SoC qui comporte d’autres éléments, conçus par lui-même ou achetés à d’autres concepteurs. Le circuit final une fois conçu, il sera fabriqué, soit dans les usines de son concepteur s’il en a (cas de TI, de Samsung ou de STM), soit par une fonderie, dans le cas des industriels sans usine de composants électroniques, comme Apple, Qualcom ou Broadcom [1].

Bref, l’élargissement des activités d’ARM et de ses clients remet en cause l’hégémonie d’Intel sur le marché des microprocesseurs. Intel est déjà pratiquement évincé des secteurs du smartphone et des tablettes, même Microsoft l’a trahi en lançant une version de Windows sur plate-forme ARM. Certes, Intel est une immense entreprise avec des milliers d’ingénieurs talentueux, donc une réaction positive n’est pas une hypothèse à écarter trop vite, mais on sait qu’il est très difficile à une entreprise enracinée depuis des années dans un certain type de production de changer complètement de modèle.

Mais ARM et ses clients ont-ils la capacité d’aller défier Intel sur le marché des serveurs ?

 L’adoption du modèle ARM : problèmes en cours de résolution

Il reste encore quelques obstacles sur la route d’ARM. Puisque chaque intégrateur qui a acheté la licence de l’architecture est libre de l’intégrer sur un SoC avec les composants complémentaires de son choix, il en est résulté une joyeuse anarchie, parce que du coup le portage d’un système sur architecture ARM demande autant d’adaptations qu’il ya de variantes, alors que l’environnement Intel bénéficie de l’unicité d’architecture imposée à l’origine des temps (1981) par IBM. Linus Torvalds a ainsi pu exprimer que le portage de Linux sur Systèmes ARM était une vraie galère (traduction libre, LB).

Afin de pallier cette difficulté, ARM a publié en janvier 2014 la définition de la plateforme standard SBSA (Server Base System Architecture) à laquelle seraient priés de se conformer les intégrateurs (image due à Arstechnica, http://arstechnica.com).

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Architecture ARM SBSA (Thanks to http://arstechnica.com)
Architecture ARM SBSA (Thanks to http://arstechnica.com)

Après la sortie de ses premiers modèles 64 bits, la publication de cette norme d’architecture devrait ouvrir la voie du marché des serveurs aux processeurs ARM. La société vise 25% de ce marché pour 2019. Étant donnée sa position d’ores et déjà dominante pour les smartphones et les tablettes, voilà un avenir souriant, de nature à introduire un peu de diversité dans un paysage informatique qui était depuis une quinzaine d’années bien monotone.

Notes :

[1Incidemment, cette multiplication d’opérateurs multiplie les risques de sabotage des processeurs ; les chercheurs Georg T. Becker, Francesco Regazzoni, Christof Paar et Wayne P. Burleson ont en effet mis en évidence la possibilité de modifier furtivement les caractéristiques d’un processeur à des fins frauduleuses. Un tel sabotage n’est accessible qu’à une entreprise qui participe à la chaîne de fabrication. La complexification et l’internationalisation de celle-ci ouvrent de nouveaux horizons aux attaquants.

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