Circuit synchrone

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Un circuit synchrone est un circuit électronique numérique qui fonctionne à un rythme dicté par une horloge. Cette horloge interne au processeur donne à intervalles réguliers une impulsion électrique simultanée (en première approximation) à tous les composants du processeur. Sa fréquence peut atteindre quelques gigahertz (GHz) pour des processeurs récents.

Les ordinateurs personnels usuels sont munis de processeurs synchrones.

Composants

Un circuit numérique, comme un processeur, est composé de multiples composants comme les mémoires, additionneurs, multiplexeurs, soustracteurs, diviseurs, multiplieurs). Ces composants fonctionnent de manière binaire suivant le niveau de tension qu'ils reçoivent en entrée et rendent un niveau de tension haut ou bas en sortie (en binaire, 0 ou 1).

L’impulsion électrique sur le composant l'autorise à utiliser les données reçues en entrée, ce qui peut le faire passer d’un état à un autre (tension de sortie haute ou basse) en passant par un état transitoire. Cet état transitoire est donc le temps durant lequel s'établit la tension de sortie du composant. Durant ce temps d'établissement, aucune information n'est valable au sortir du composant. C'est pourquoi il est nécessaire de faire fonctionner le processeur par étapes successives pour ne prendre en compte que des tensions stables au sortir des composants.

Certaines instructions et certaines données sont plus rapides que d'autres à traiter, mais le processeur doit attendre l'impulsion de l'horloge pour passer à la suite du traitement de données et des instructions. Cela permet d'éviter que certains composants ne s'avancent dans les calculs, fournissant de ce fait des valeurs faussées à leurs voisins.

Inconvénients

Il existe différents problèmes pour les circuits synchrones. Tout d'abord, le temps de propagation du signal d’horloge. En effet, le parcours du signal électrique (onde électrique) dans le circuit demande un certain temps. L'onde électrique se propage à la vitesse de la lumière, on peut donc calculer que pour un processeur fonctionnant à 3 GHz, l'onde parcourt 15 cm entre chaque coup d'horloge. À cela, il faut rajouter le temps d'établissement des signaux dans les composants. On peut donc arriver à des situations ou les composants situés à proximité de l’horloge sont dans un état (t) et ceux situés de l’autre côté du processeur sont dans un état (t-1). On arrive donc à une situation d’asynchronisme du processeur, c'est-à-dire que les composants ne sont pas tous synchrones et qu'ils se fournissent l'un l'autre des résultats faussés.

D'autres problèmes s'y ajoutent, comme le phénomène de gigue d'horloge, c'est-à-dire le fait que le signal d'horloge ne soit pas parfaitement régulier. Là encore, cela peut conduire à des erreurs ou à une perte de performance pour les éviter.

Ces inconvénients provoquent l'intérêt pour des solutions de remplacement comme les circuits asynchrones.

Voir aussi

Articles connexes

Circuit asynchrone

v · m

Technologies de processeur

Modèles

Architecture

Général	Microarchitecture Architecture de type Harvard Architecture de von Neumann Architecture Dataflow Transport triggered architecture Boutisme Mémoire Non uniform memory access (NUMA) Hiérarchie de mémoire Mémoire virtuelle Bus informatique Réseau systolique
Mots	Architecture 8 bits 15 bits (Apollo Guidance Computer) 16 bits 22 bits (Zuse 3) 32 bits 40 bits 50 bits (Atanasoff–Berry Computer) 64 bits 128 bits

Instruction

Jeu	Processeur basé sur la pile Processeur de signal numérique Processeur vectoriel Microprocesseur à jeu d'instructions étendu (CISC) Processeur à jeu d'instructions réduit (RISC) Very long instruction word (VLIW) Explicitly parallel instruction computing (EPIC) Explicit data graph execution (en) (EDGE) Minimal instruction set computer (MISC) Ordinateur à jeu d'instruction unique (OISC) Zero instruction set computer (ZISC) Informatique quantique Mode d'adressage
Famille	Motorola 680x0 VAX x86 Architecture ARM Architecture MIPS PowerPC Architecture SPARC SuperH DEC Alpha IA-64 OpenRISC RISC-V Microblaze Little man computer IBM System/3x0 System/390 System z
Exécution	Pipeline Bulle Exécution dans le désordre Algorithme de Tomasulo Renommage de registres Prédiction de branchement Exécution spéculative File
Performance	Instructions par cycle (IPC) Instructions par seconde (IPS) Opérations en virgule flottante par seconde (FLOPS)

Types

Général	Central processing unit (CPU) Processeur graphique (GPU) General-purpose processing on graphics processing units (GPGPU) Processeur vectoriel Coprocesseur Application-specific integrated circuit (ASIC) System in package (SiP)
Par usage	Système embarqué Microprocesseur Multi-cœur Multiprocesseur Microcontrôleur Processeur softcore
On chip	Système sur une puce (SoC) Programmable (PSoC) Réseau sur une puce (NoC)
Accélération matérielle	Accelerated processing unit (APU) Puce d'accélération de réseaux de neurones (NPU) Processeur d'images (IPU) Processeur physique (PPU) Processeur de signal numérique (DSP) Tensor Processing Unit (TPU) Cryptoprocesseur sécurisé Processeur réseau (NPU) Processeur de bande de base (BP)

Microarchitecture

Parallélisme

Général	Pipelining Scalaire Superscalaire Tâche Thread Processus Multitâche Préemptif Parallélisme de donnée Processeur vectoriel Calcul distribué
Processus	Multithreading Hyperthreading Superthreading (en) Simultaneous multithreading (SMT) Symmetric multiprocessing (SMP) Asymmetric multiprocessing (AMP)
Taxonomie de Flynn	Single instruction on single data (SISD) Single instruction multiple data (SIMD) SWAR Single instruction multiple threads (SIMT) Multiple instructions single data (MISD) Multiple instructions on multiple data (MIMD)

Circuiterie et unité

Général	Circuit intégré Signaux mixtes Circuit booléen Interrupteur Électronique analogique Cœur Cache Processeur Algorithme Cohérence Bus
Exécution	Unité arithmétique et logique (ALU) Additionneur Multiplieur Unité de calcul en virgule flottante (FPU) Unité de gestion de mémoire (MMU) Translation lookaside buffer (TLB) Prédiction de branchement Contrôleur mémoire
Porte logique	Combinatoire Séquentielle Quantique
Registre	Registre de processeur Registre d'état Banc de registres Registre à décalage Registre tampon mémoire Registre d'adresse mémoire Compteur ordinal
Contrôle	Mémoire tampon Microprogrammation Image ROM Compteur
Chemin de données	Multiplexeur Décaleur

Cadencement

Gestion de l'alimentation

Fabrication

Fabrication des dispositifs à semi-conducteurs
- Lithographie en immersion

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