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microprocesseur, processeur miniature constitué d’un seul circuit intégré, sur lequel sont gravés des millions de transistors interconnectés.

Un microprocesseur se compose d’une tranche de silicium, communément appelée puce, mesurant environ 0,5 cm de côté et 0,05 cm d’épaisseur. Sur cette puce sont gravés des millions de transistors, qui permettent d’assurer la gestion et le traitement de l’information. Un microprocesseur constitue ainsi l’unité centrale de traitement d’un micro-ordinateur, mais est également utilisé dans de nombreux autres équipements (téléphones, cartes à puce, appareils électroménagers…).

Le premier microprocesseur, l’Intel 4004 de la société informatique Intel, est réalisé en 1971. Il est composé de 2 300 transistors et exécute 60 000 instructions par seconde. En comparaison, un microprocesseur moderne comme l’Intel Pentium 4 comprend plusieurs dizaines de millions de transistors et exécute plusieurs milliards d’instructions par seconde.

En fait, l’histoire du microprocesseur est intimement liée à celle du micro-ordinateur et de la micro-informatique en général. L’Intel 8080, créé en 1974, est notamment l’un des premiers microprocesseurs (8 bits) adaptés à un ordinateur individuel. Il a fortement influencé l’architecture du Z80 de la société Zilog et, dans une moindre mesure, celle de la gamme des microprocesseurs 80×86 (80186, 80286, 80386, 80486) et les différentes évolutions du Pentium, équipant hier ou aujourd’hui la grande majorité des PC.

Par ailleurs, les micro-ordinateurs Macintosh sont équipés de microprocesseurs Motorola (famille du 68000, intégré au premier Macintosh commercialisé en 1984) et, depuis 1998, de microprocesseurs RISC (Reduced Instruction Set Computing) de la série Power PC (G3 ou G4), développés en collaboration par les firmes américaines Apple, IBM et Motorola.

Pionnier de la micro-informatique et créateur du premier microprocesseur, Intel domine le marché des microprocesseurs avec environ 80 p. 100 de parts de marché. La société AMD suit de loin avec pratiquement 20 p. 100 et toutes les autres sociétés représentent moins de 1 p. 100 du marché. La situation est un peu différente pour les microprocesseurs spécialisés où d’autres entreprises sont encore présentes (notamment Texas Instruments aux États-Unis et SMT Electronic en Europe).

Un microprocesseur est composé d’une mémoire morte (ROM), de registres (zones de stockage temporaire), d’une unité de calcul arithmétique et logique, et d’un séquenceur. Les instructions sont traitées dans le séquenceur où elles sont décomposées en un ensemble de micro-instructions, dont la suite forme un microprogramme. Une micro-instruction est une opération de bas niveau du microprocesseur (par exemple, transfert du contenu d’un registre vers un bus, envoi d’une commande à l’unité de calcul, etc.). Ces micro-instructions sont ensuite décodées et exécutées.

Le jeu d’instructions d’un microprocesseur correspond à l’ensemble des instructions qu’il reconnaît et peut exécuter. Ce jeu comprend, en particulier, les instructions de bas niveau telles que l’addition, la soustraction, la multiplication et la division. Selon son jeu d’instructions, un microprocesseur peut présenter deux types d’architectures : CISC ou RISC.

Les microprocesseurs d’architecture CISC (Complex Instruction Set Computing, processeur à jeu d’instructions complexes) sont les plus anciens et manipulent des instructions complexes ; mais ces dernières sont effectuées à une vitesse relativement lente. L’évolution des microprocesseurs a consisté pendant longtemps à définir des jeux d’instructions de plus en plus complexes. Les chercheurs d’IBM se sont alors aperçus, en analysant un grand nombre de programmes, qu’en réalité peu de ces instructions étaient effectivement utilisées. Ils ont alors défini un nouveau jeu d’instructions beaucoup plus simple appelé RISC (Reduced Instruction Set Computing, processeur à jeu d’instructions réduit), formé des instructions les plus utilisées.

Dans les microprocesseurs RISC, les instructions peuvent être exécutées très rapidement (notamment grâce à des mécanismes complexes de décodage comme le pipeline). Ces architectures se sont maintenant imposées et sont au cœur de tous les microprocesseurs modernes.

On mesure la puissance d’un microprocesseur par la taille de ses registres et par sa fréquence d’horloge. La taille des registres s’exprime en nombre de bits. Elle n’a cessé de croître grâce aux progrès de la technologie des circuits intégrés : aujourd’hui, on trouve sur le marché des microprocesseurs 8 bits, 16 bits, 32 bits et 64 bits. Chaque microprocesseur dispose d’une horloge qui émet un signal à intervalle régulier. La fréquence d’horloge, exprimée en mégahertz (MHz) ou gigahertz (GHz), correspond au nombre de millions (ou de milliards) de signaux émis par l’horloge en une seconde. Le délai entre deux signaux s’appelle un cycle, et pendant un cycle d’horloge, une micro-instruction (ou plusieurs, si elles ne correspondent pas au même bus) peut être exécutée. Par conséquent, plus la fréquence d’horloge d’un microprocesseur est élevée, plus celui-ci est rapide et donc performant. Cependant, on ne peut comparer les fréquences d’horloge de microprocesseurs que lorsqu’ils ont une architecture identique (un PowerPC G4 de Motorola ne peut se comparer directement à un Pentium 4 d’Intel).

Par ailleurs, les fréquences d’horloge varient en fonction des types de microprocesseurs : les microprocesseurs généraux comme le Pentium 4 peuvent être cadencés à quelques gigahertz (GHz), les versions pour les mobiles tournent autour de 1 GHz et les microprocesseurs embarqués sur des PDA (Personal Digital Assistant, assistant numérique personnel) sont généralement cadencés à quelques centaines de mégahertz (MHz).

L’évolution de la puissance des microprocesseurs suit la loi de Moore — énoncée par Gordon Moore, l’un des fondateurs d’Intel —, qui stipule, dans sa version réévaluée de 1975, qu’à prix constant la puissance des microprocesseurs est doublée tous les dix-huit mois (et non tous les ans, comme énoncé dans sa première version de 1965). Le rythme de croissance exponentielle prévu par cette loi empirique est toujours observé en ce début de XXI^e siècle et devrait se poursuivre jusqu’en 2017 où, selon Moore, une limite physique sera atteinte : celle de la taille des atomes (voir nanosciences et nanotechnologies).

Les microprocesseurs diffèrent en fonction de la nature des opérations qu’ils doivent réaliser et en fonction des contraintes de l’équipement. On peut par exemple distinguer les microprocesseurs à usage général, que l’on trouve sur les micro-ordinateurs, des microprocesseurs spécialisés que l’on peut trouver sur des équipements de reconnaissance vocale et des microprocesseurs destinés à des équipements mobiles disposant de faibles ressources d’énergie (principalement en téléphonie mobile).