Le modèle de VON NEUMANN

Naissance du modèle

En 1944, John von Neumann est introduit dans le projet ENIAC par Herman Goldstine, qui assurait la liaison scientifique du projet avec le département de la Défense. Von Neumann était un esprit universel, dont les contributions allaient des mathématiques à la logique, la physique et l’économie. Il avait rencontré Turing et connaissait ses travaux. Il participait alors au projet Manhattan, et l’Histoire dit que Goldstine lui parla du projet ENIAC lors d’une rencontre fortuite sur un quai de gare. Quoi qu’il en soit, von Neumann accepta un poste de consultant dans ce projet et prit une part active aux travaux menés par Eckert et Mauchly sur la conception de l’EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer), le successeur de l’ENIAC. En juin 1945, une première version, incomplète, d’un rapport sur la conception de l’EDVAC fut diffusée par Goldstine, sous la signature du seul von Neumann qui l’avait rédigé comme document de travail. Eckert et Mauchly en furent, à juste titre, profondément choqués ; par ailleurs, ils entrèrent en conflit avec l’Université de Pennsylvanie pour des questions de brevet et ces deux circonstances provoquèrent leur départ du projet en mars 1946 pour fonder leur entreprise, l’Eckert-Mauchly Computer Corporation. Von Neumann lui-même quitta le projet à la même époque pour Princeton, où il travailla avec Julian Bigelow sur le calculateur de l’IAS (Institut d’Études Avancées)

Une architecture novatrice

Le First Draft of a Report on EDVAC est un document de cent-une pages, qui décrit d’une part un schéma d’architecture de calculateur, organisé en trois éléments (unité arithmétique, unité de commande et mémoire contenant programme et données), d’autre part des principes de réalisation pour ces éléments, notamment les opérations arithmétiques. Si ce dernier aspect dépend partiellement de la technologie connue à l’époque, et a donc nécessairement vieilli, le modèle d’architecture, qui marque une transition profonde avec les pratiques antérieures, reste d’une étonnante actualité. Ce modèle, auquel reste attaché le nom de von Neumann, est représenté par le schéma ci-dessous.

La première innovation est la séparation nette entre l’unité de commande, qui organise le flot de séquencement des instructions, et l’unité arithmétique, chargée de l’exécution proprement dite de ces instructions. La seconde innovation, la plus fondamentale, est l’idée du programme enregistré : les instructions, au lieu d’être codées sur un support externe (ruban, cartes, tableau de connexions), sont enregistrées dans la mémoire selon un codage conventionnel. Un compteur ordinal contient l’adresse de l’instruction en cours d’exécution ; il est automatiquement incrémenté après exécution de l’instruction, et explicitement modifié par les instructions de branchement.

Un emplacement de mémoire peut contenir indifféremment des instructions et des données, et une conséquence majeure (dont toute la portée n’avait probablement pas été perçue à l’époque) est qu’un programme peut être traité comme une donnée par d’autres programmes. Cette idée, présente en germe dans la machine de Turing, trouvait ici sa concrétisation.

Qu'en est il aujourd'hui ?

Plus de soixante ans après son invention, le modèle d’architecture de von Neumann régit toujours l’architecture des ordinateurs. Par rapport au schéma initial, on peut noter deux évolutions.

• Les entrées-sorties, initialement commandées par l’unité centrale, sont depuis le début des années 1960 sous le contrôle de processeurs autonomes (canaux d’entrée-sortie et mécanismes assimilés). Associée à la multiprogrammation (partage de la mémoire entre plusieurs programmes), cette organisation a notamment permis le développement des systèmes en temps partagé.
• Les ordinateurs comportent maintenant des processeurs multiples, qu’il s’agisse d’unités séparées ou de « cœurs » multiples à l’intérieur d’une même puce. Cette organisation permet d’atteindre une puissance globale de calcul élevée sans augmenter la vitesse des processeurs individuels, limitée par les capacités d’évacuation de la chaleur dans des circuits de plus en plus denses.

Ces deux évolutions ont pour conséquence de mettre la mémoire, plutôt que l’unité centrale, au centre de l’ordinateur, et d’augmenter le degré de parallélisme dans le traitement et la circulation de l’information. Mais elles ne remettent pas en cause les principes de base que sont la séparation entre traitement et commande et la notion de programme enregistré.

L’accès des processeurs à la mémoire se fait à travers un bus (non représenté sur la figure), voie d’échange assurant un transfert rapide de l’information. Mais au cours du temps, et pour des raisons technologiques, le débit du bus a crû moins vite que le débit d’accès à la mémoire et surtout que la vitesse des processeurs. D’où un phénomène d’attente — le « goulot de von Neumann » — qui réduit les performances. Des palliatifs sont l’usage généralisé de caches à plusieurs niveaux (mémoire d’accès rapide, voisine du processeur, et retenant les données courantes), et le développement de machines à mémoire distribuée mais se posent alors des problèmes de cohérence pour les données en copies multiples.