Les processeurs x86 : 30 ans de clones et d’innovations

Introduction

Le x86, c’est une longue histoire. Ce jeu d’instruction a été créé par Intel, dont nous avons présenté les processeurs, et AMD, qui a eu aussi droit à son dossier. Mais les autres ? Intel a en effet licencié ses processeurs pendant un temps et beaucoup de sociétés se sont aussi lancées dans ce marché juteux. Certaines ont eu un certain succès (Via), d’autres moins (Rise) et une partie ont surtout été rachetés par d’autres (Cyrix, Nexgen). Dans ce dossier, nous allons passer en revue les différents CPU x86. Sans être totalement exhaustifs (ce serait impossible), nous avons essayé de proposer un panorama des différents CPU x86 qui ont été ou sont encore proposés au grand public.

Les clones de 8086

Le 8086, premier processeur x86 d’Intel a été copié mais aussi licencié. Siemens, Mitsubishi, AMD, Fujitsu ou Harris (entre autres) ont proposé des clones de 8086 (et 8088, le pendant bas de gamme du processeur) pendant quelques années. Les processeurs étaient dans la pratique identiques aux modèles Intel au niveau des performances, même si le package, la fréquence ou les écarts de température de fonctionnement varient. Plus intéressant, deux « clones » du 8086 ne sont pas des licences Intel. Le К1810ВМ86 est un clone russe du 8086 (produit évidemment sans licence, guerre froide oblige), offrant les mêmes fonctions (a priori par reverse engenering) que la version Intel. le meilleur des clones est bien évidemment le Nec V30. Ce clone de 8086 est plus rapide que ce dernier, essentiellement grâce à l’intégration du jeu d’instructions du 80186 et d’un multiplicateur au niveau matériel (ce que le 8086 ne propose pas, il s’agit d’une émulation logicielle).

Les V30 et V20 ont atteint 16 MHz là où les modèles Intel n’ont pas dépassé 10 MHz.

Le 80286 et ses clones

Passone le 80186 et allons directement à son successeur. Le 80286 a eu aussi son lot de clones (et de copies) et des sociétés comme Siemens, IBM ou Fujitsu ont proposé des clones de 286 (sous licence). Fin des années 80, les pays de l’Est (encore eux) ont copié le 80286, avec le U80601, un clone venant de l’Allemagne de l’Est et proposant les mêmes fonctions que le 286 mais — évidemment — sans la licence.

Notons que — comme d’habitude — ce sont les clones qui ont été les plus rapides. En effet, AMD a atteint 20 MHz et Harris 25 MHz sur les 80286, là où Intel n’a pas dépassé 12 MHz.

Le 386 est aussi copié

Le 386 a été moins copié que les autres, et Intel a commencé à moins facilement distribuer des licences sur ses puces. En dehors d’AMD et Cyrix (dont nous parlerons par la suite), on retrouve deux constructeurs d’envergures : IBM et Chips and Technologies. IBM propose le 386SLC, un processeur compatible avec ceux d’Intel mais doté d’un cache de 8 ko et incompatible avec les sockets des 386 et Chips and Technologies propose les « Super386 », des CPU compatibles obtenus par reverse engenering (avec un résultat moyen) qui ont été peu distribués.

Ici aussi, le 386 le plus rapide n’est pas un Intel mais un AMD, 40 MHz.

Le 80486, le dernier licencié

Après le 486, Intel arrêtera sa politique de licence : les successeurs du processeurs resteront chez Intel. Concrètement, alors que des processeurs utilisant le core Intel (avec un beau (c) sur le package) étaient proposés jusqu’au 80486, les « compatibles » Pentium utiliseront des designs maisons. Mais le 486, comme les autres, a eu droit à ses copies sous licence. UMC (un fondeur), ST Micro (un Français), Texas Instrument et IBM (sous licence Cyrix et pas Intel) ont proposés des clones de 80486.

Si Intel a préféré utiliser DX4 au lieu de DX3 pour ses processeurs à multiplicateur triple, certains ont bien utilisé le 3 pour le multiplicateur triple. Rappelons qu’un 486 DX4-100 chez Intel travaille en 3 x 33 MHz et pas en 4 x 25 MHz (même si certains passaient aussi en 2 x 50 MHz).

La saga Cyrix : un 386 sous le nom 486

Cyrix est une société bien connue de nos plus vieux lecteurs. Créée en 1988, elle a commencé par produire des coprocesseurs x87 pour les CPU Intel qui étaient — et c’est amusant — plus rapides que les versions Intel dédiées aux 286 et 386 (les 287 et 387). Avec l’intégration de la FPU dans le processeur, Cyrix se lance dans des CPU complets. Le premier, le Cx486SLC, est un processeur équivalent à un 80386SX, capable de recevoir un coprocesseur x87 et doté d’un cache de 1 ko et du jeu d’instruction du 486. Il était bridé par son FSB sur 16 bits et son bus d’adresses sur 24 bits. Le Cx486DLC et le Cx486DRx2 étaient des versions similaires (cores de type 386 avec jeu d’instructions 486 et cache) destinées à remplacer des 80386DX. Le Cx486DRx2 utilisait un multiplicateur, comme certains 486. 

Notons que c’est Texas Instrument qui a produit les processeurs de Cyrix — la société étant fabless — et que Ti a sorti ses propres versions (sur le même design) avec 8 ko de cache au lieu de 1 ko chez Cyrix (sur les Cx486SLC).

Le Cx5x86, un 486 sous le nom 586…

Après un « 486 » compatible 386, Cyrix propose le 5×86, un processeur compatible 486. Basé sur le 6×86, ce processeur de classe « Pentium » fonctionnait sur un connecteur de 486. Des clones ont été produits par IBM et ST-Micro, qui étaient les fondeurs de Cyrix, le ST5x86 et l’IBM5x86C. Notons, dans les différences avec un 80486 de chez Intel, un cache de niveau 1 de 16 ko contre 8 ko sur l’original.

Le 5×86 a atteint 133 MHz en fin de vie, en 33 MHz x 4, une fréquence plus élevée que les 486 d’Intel.

Le 6×86 et le 6x86MX concurrencent le Pentium

Avec la gamme 6×86, Cyrix concurrence le Pentium d’Intel. Le premier, le 6×86 (alias M1) est un processeur compatible 486 (certaines instructions du Pentium ne sont pas de la partie) qui se monte sur un Socket 7 et qui est plus rapide que le Pentium au niveau de l’ALU (les calculs en entier). Comme à l’époque ce type de calcul prédomine, Cyrix utilise le PR, un CPU « 120+ » tourne en réalité à 100 MHz (en bus 50 MHz), un 166+ à 133 MHz et un 200+ à 150 MHz (en bus 75 MHz, ce qui pose des problèmes de stabilité). Malheureusement pour Cyrix, la FPU du 6×86 est lente et n’atteint pas les performances de celle du P5 (Pentium), ce qui pose des problèmes dans les jeux en 3D (en particulier sur Quake). Une version améliorée, le MII, va essentiellement apporter le support du MMX et une fréquence plus élevée, ainsi qu’une cache de niveau unifié de 64 ko.

Comme pour le 5×86, les deux fondeurs de Cyrix vont proposer des clones sous leurs marques et des 6×86 ST-Micro (à l’époque SGS-Thompson) et IBM seront aussi proposés sur le marché. Notons qu’au fil du temps, le PR a évolué : alors qu’un Cyrix 6×86 à 80 MHz avait un PR de 90, un 6x86MX à 300 MHz avait un PR de 433…

Cyrix III, alias Via Cyrix III

En 2000, le dernier processeur Cyrix arrive, le Cyrix III. Basé sur le core « Joshua », ce  processeur sera un temps vendu par Via (qui a racheté Cyrix), avant le passage à un core Winchip (Samuel). Le Cyrix III intègre un cache L1 de 64 ko, mais aussi un L2 de 256 ko. Comme d’habitude, Cyrix utilise la technique du PR et un Cyrix III 533+ fonctionne soit à 433 MHz (bus 124 MHz, ce qui pose des problèmes) soit à 450 MHz en bus 100 MHz, le tout sur un Socket 370.

Le processeur a eu une durée de vie très courte, Via est passé rapidement au C3 « Samuel ».

Media GX, un SoC à base de x86

Bien avant l’intégration du contrôleur mémoire dans le K8 ou de la carte graphique dans le CPU, Cyrix a proposé des SoC (System on a Chip), les Media GX. Basés sur les cores de Cyrix, les processeurs intégraient un northbridge (contrôleur mémoire et PCI) mais aussi une carte graphique. Plusieurs versions de MediaGX ont été proposées par Cyrix, les GX, GXi et GXM. Le Cyrix MXi, jamais sorti, devait augmenter les performances de la partie CPU.

Le principal problème de ce type de SoC est bien évidemment les performances. La base était un processeur 5×86 (type 486, donc) et les composants audio et vidéo assez lents. Les MediaGX ont été récupérés par National Semiconductor puis par AMD. Notons aussi l’absence de mémoire cache de niveau 2 et le fait que le SoC nécessitait tout de même un southbridge, à la manière des Atom actuels qui intègrent la gestion de la mémoire et de la vidéo dans le CPU.

Les Geode, chez National Semiconductor et AMD

Via n’ayant pas racheté la branche MediaGX, c’est National Semiconductor et ensuite AMD qui reprennent les CPU. La première va faire évoluer les CPU, sous le nom Geode, la seconde va les garder un certains temps avant de passer la gamme Geode sur un core K7 avec les modèles NX. Oui, AMD a bien vendu des processeurs « Cyrix ».

Notons que les Geode LX ont été vendu encore récemment dans des netbooks, sous la marque AMD, alors que les processeurs sont totalement différents de ce que propose habituellement le fondeur.

Les processeurs de Winchip

En 1997, une nouvelle société arrive dans le petit monde du x86, IDT. Elle lance rapidement le Winchip C6, un processeur compatible Pentium (il utilise le Socket 7) relativement efficace, même si sa FPU (comme chez tous les concurrents d’Intel) est faible. Il sera suivi assez rapidement par le Winchip 2 (et ses évolutions 2A et 2B). La société disparaîtra rapidement, rachetée par Via, et les ingénieurs de chez Centaur (IDT) seront à la base d’une bonne partie des processeurs de Via.

Le design du Winchip 3, jamais sorti sous ce nom, sera utilisé pour le Via C3, qui est passé très rapidement d’un design Cyrix (Cyrix III, Joshua) au design d’IDT (Samuel). Notons aussi que — comme tous les concurrents d’Intel à l’époque — IDT a utilisé le PR pour certains de ses CPU. Point amusant, certains CPU avaient un PR identique à la fréquence réelle alors que le Winchip 2B, vendu à 200 MHz dans tous les cas, était soit un PR200 (en bus 66 MHz) soit un PR233 (en bus 100 MHz).

La grande saga du C3

Après le rachat de Cyrix et de Centaur (IDT), Via lance ses propres processeurs x86. Le premier est un Cyrix III (Joshua) mais la société passe rapidement sur un design « Centaur », le Samuel. Ce dernier a le défaut de ne pas proposer de cache de niveau 2 et le Samuel 2 corrige rapidement ce problème. Les cores Samuel seront suivis par Ezra et Nehemiah. Ce dernier a apporté une fonction qui n’est disponible chez Intel que depuis peu : la gestion matérielle de l’AES.

Notons que le C3 sera décliné dans une version « Eden », des CPU C3 à basse fréquence (et donc basse consommation) proposés dans un package réduit pour une intégration plus simple. La version « T » d’Ezra est là pour apporter une compatibilité avec les cartes mères destinées aux Pentium III en 130 nm, alias Tualatin.

Le C7 arrive

Le C3 commençant à montrer ses limites, Via annonce le C7. Toujours basé sur les travaux d’IDT Centaur, le C7 « Esther » est un processeur a très basse consommation qui améliore les performances (faibles) du C3 tout en offrant des fonctions intéressantes pour les serveurs, comme la gestion de l’AES au niveau matériel.

Le C7 utilise un bus comparable à celui du Pentium 4 mais Via ne peut pas proposer un processeur compatible avec les cartes mères, à cause des droits nécessaires. Le C7 a été utilisé dans certains netbooks, en attendant la sortie de l’Atom.

Nano attaque l’Atom

En 2008, Via annonce le Nano. Alors qu’Intel passe à un design 32 bits et in-order avec l’Atom, Via arrive enfin avec un processeur out-of-order et 64 bits. Le Nano consomme peu, est compatible avec les cartes mères destinées au C7 et est bien plus rapide que ce dernier. La FPU est améliorée et la consommation est faible. Une version améliorée, le Nano 3000, est apparue en 2009, en attendant un dual core en 2010.

Notons que le Nano 3000 reste en 65 nm et que — même s’il est plus rapide que l’Atom — le fait qu’il soit limité à un seul core (et sans HyperThreading) le rend peu intéressant.

NexGen et son Pentium sans FPU

NexGen, une société peu connue. Un seul processeur a été vendu sous la marque, le Nx586, et il a été un échec relatif. Le Nx586 est un processeur de classe Pentium qui avait une particularité : la FPU était externe, comme sur les 386 (et précédents) alors qu’Intel l’avait intégrée depuis le 486. Une version intégrant la FPU (Nx587) dans le même package est d’ailleurs sortie à la fin de la vie commerciale du processeur. Pour le reste, le Nx586 a été un échec dans le sens ou une carte mère dédiée était nécessaire, alors que les autres concurrents du Pentium utilisaient le Socket 7.

Notons que le design Nx686 a été réutilisé par AMD (qui avait racheté la société) pour le K6 qui — malgré son nom — n’a pas de rapport direct avec le K5 (qui est un design maison).

Rise MP6, un autre concurrent du Pentium

1998, la société Rise propose un autre concurrent du Pentium, le mP6. Ce processeur compatible MMX et Socket 7 a eu une carrière assez courte, même si des versions 250 et 180 nm existent. Anecdote amusante, le mP6 contient un « easter egg » qui affiche le nom d’un des ingénieurs. 

SiS a licencié la technologie de Rise pour produire le SiS550, un SoC intégrant le CPU, un northbridge et un southbridge dans le même package. Cette puce a notamment été utilisée dans certains lecteurs de DVD et dans des SetTopBox.

Le Rise atteint 1 GHz

Peu connu, le Vortex86 est un processeur x86 destiné au monde de l’embarqué, proposé par DM&P Electronic. Basé sur les travaux de Rise et SiS, les processeurs en question sont utilisés dans des domaines où ils sont peu visibles. Plusieurs versions existent : le Vortex86, le Vortex86 SX, le Vortex86 DX et le Vortex86 MX. Le premier est un SiS550 (Rise mP6 accompagné d’un northbridge et d’un southbridge) alors que les autres sont des améliorations de la puce, avec notamment une finesse de gravure améliorée. La fréquence, pour un core au départ concurrent du Pentium, est élevée : 1 GHz. Le MX est une version améliorée du DX qui intègre un GPU pour l’affichage.

Crusoe, par le fondateur de Linux

Transmeta est une société originale. Au lieu de proposer un processeur x86 nativement, elle a proposé un CPU doté de son propre jeu d’instruction (de type VLIW) et capable d’exécuter du x86 en traduisant le code en question, pour économiser l’énergie. Linus Torvalds, le créateur de Linux, a d’ailleurs travaillé pour cette société. Deux CPU sont sortis de cette firme, le Crusoe et l’Efficeon. Le problème principal venait des performances, faibles, et du fait qu’une partie de la mémoire vive était utilisée comme cache pour la transformation des instructions : le premier lancement d’une application était donc lent, les lancements suivants étaient plus rapides, la partie « analyse » n’étant plus nécessaires. Les Efficeon ont intégré une mémoire cache externe à cet usage, pour éviter les problèmes de performances.

Notons qu’AMD a notamment travaillé avec Transmeta pour tester le x86-64, en modifiant le programme permettant la transformation du code, il est techniquement possible d’exécuter n’importe quel jeu d’instruction.

NVIDIA fait aussi du x86…

Terminons par un acteur inattendu, NVIDIA. En effet, la société a racheté ULi il y a quelques années et la firme possédait une licence x86. Concrètement, NVIDIA vend un SoC basé sur un 80386SX, le M6117C. Cette puce atteint 40 MHz, travaille en 32 bits et ne dispose pas d’une FPU, on est donc loin des performances des GPU de la firme…