CPU : cœurs vs threads, tout ce qu'il faut savoir

Un ordinateur est composé de nombreux éléments. Le composant interne le plus fondamental est sans doute son CPU. Acronyme de Central Processing Unit, le CPU est le cerveau de l'ordinateur. Il est constitué de milliards de minuscules transistors qui fonctionnent comme des interrupteurs électroniques, chargés de contrôler le flux d'électricité à travers des circuits complexes.

En plus d'exécuter les tâches des programmes, les CPUs coordonnent les autres composants de l'ordinateur, notamment la RAM (mémoire vive), le HDD (disque dur) et le SSD (disque à état solide).

De nombreux facteurs déterminent les performances et l'efficacité d'un processeur, mais l'un des sujets les plus souvent débattus est cœurs vs. threads. En général, on suppose qu'un plus grand nombre de cœurs signifie de meilleures performances. Pourtant, c'est rarement aussi simple que ça.

Comprendre le rôle des cœurs et des threads est essentiel pour faire les bons choix lors de l'achat ou de la configuration d'un ordinateur. L'objectif est d'optimiser les performances au maximum sans dépenser inutilement. Selon les tâches à effectuer, le nombre idéal de cœurs et de threads peut varier considérablement.

Par ailleurs, si vous optez pour un appareil portable (comme un ordinateur portable), la consommation énergétique est un facteur que vous ne pouvez pas ignorer. Rien de plus frustrant que de voir sa batterie rendre l'âme en plein milieu d'une tâche. Choisir un CPU avec une consommation adaptée permet de limiter ce genre de désagrément.

Dans cet article, je vous explique tout ce que vous devez savoir sur les cœurs et les threads d'un processeur, leurs différences, et les autres facteurs qui influencent les niveaux de performance d'un processeur.

Qu'est-ce qu'un cœur de CPU ?

En résumé, un cœur est une unité de traitement physique à l'intérieur d'un CPU, chargée d'exécuter des tâches de façon autonome. Imaginez votre CPU comme une usine, où chaque cœur est un « opérateur » capable de traiter des tâches. En principe, plus il y a d'opérateurs, plus les tâches sont traitées rapidement.

À l'origine, un cœur de CPU était conçu pour exécuter les tâches les unes après les autres. Les premiers ordinateurs étaient donc incapables de faire tourner plusieurs programmes en parallèle. Cela a changé avec le développement des technologies de multithreading, que j'aborderai plus loin dans cet article.

Processeurs à cœur unique vs. multicœurs

Les premiers ordinateurs étaient équipés de CPUs à cœur unique, capables de traiter une seule tâche à la fois. Pour exécuter plusieurs programmes simultanément, les ingénieurs ont tenté d'étendre la carte mère en y connectant plusieurs CPUs. Cette approche s'est révélée impraticable, car plusieurs CPUs fonctionnant de façon indépendante introduisaient une latence importante.

Pour résoudre ce problème, les ingénieurs ont conçu des processeurs multicœurs. Chaque cœur fonctionnant de manière indépendante, il peut traiter ses propres instructions sans interférer avec les autres. Ainsi, plus un processeur dispose de cœurs, plus il peut exécuter de tâches simultanément.

Un CPU à cœur unique consomme nettement moins d'énergie et peut suffire pour des usages courants comme la navigation web. Cependant, leurs capacités limitées les rendent de moins en moins attractifs. Même si on en trouve encore dans certains systèmes anciens, les CPUs à cœur unique sont largement dépassés sur le marché actuel.

En général, les ordinateurs grand public embarquent deux, quatre, huit ou 16 cœurs de CPU. Le nombre maximal de cœurs dans les CPUs destinés au grand public est de 64. Les processeurs conçus pour les centres de données et les serveurs d'entreprise peuvent en intégrer encore davantage. Le processeur AMD EPYC 9654, par exemple, embarque pas moins de 96 cœurs.

Qu'est-ce qu'un thread de traitement ?

En informatique, un thread (ou fil d'exécution) désigne une tâche individuelle que le CPU traite. Chaque thread est considéré comme la plus petite séquence d'instructions que votre système d'exploitation peut gérer de façon indépendante. Il peut s'agir du démarrage d'un programme ou de l'enregistrement d'un fichier.

Les cœurs du CPU sont chargés de traiter ces threads. Dans tout CPU, chaque cœur peut exécuter au moins un thread à la fois. Comme mentionné, disposer de plus de cœurs améliore les capacités multitâches, mais pouvoir traiter davantage de threads produit le même effet.

Comprendre les différences entre threads et cœurs, ainsi que leurs rôles dans votre CPU, vous aidera à faire le meilleur choix selon vos besoins.

Qu'est-ce que le multithreading ?

Comme on peut l'imaginer, envoyer un seul thread au processeur, attendre la fin de la tâche, puis envoyer le suivant peut être très long. C'est pourquoi les ingénieurs ont développé différentes méthodes pour traiter davantage de threads en moins de temps.

La solution la plus directe consiste à découper un thread en plusieurs threads plus petits et à les faire exécuter en parallèle par un CPU. C'est ce qu'on appelle le « Multithreading » (à ne pas confondre avec le Multithreading simultané ou temporel). Un programme peut être peu ou fortement multithreadé selon la façon dont il a été développé.

Les concepts d'intégration de différentes stratégies de multithreading remontent aux années 50. Mais c'est seulement à la fin des années 90 que Intel a utilisé une technologie appelée Simultaneous Multithreading (SMT) pour mettre au point une technique de multithreading matériel destinée aux ordinateurs de bureau. Intel a baptisé cette fonctionnalité Technologie Hyper-Threading et l'a introduite dans le processeur de bureau Intel Pentium 4 en 2002.

Avec le Hyper-Threading de Intel, deux threads peuvent partager les ressources d'un même cœur de CPU pour accomplir les tâches souhaitées. Autrement dit, vous disposez virtuellement du double de « travailleurs » pour exécuter vos tâches. Chaque paire de travailleurs partage cependant les mêmes ressources.

Hyper-Threading : avantages et inconvénients

Le principal avantage du Hyper-Threading est d'améliorer significativement les performances du système en exploitant davantage les ressources de traitement disponibles. Dans certains cas, cependant, le single-threading reste préférable.

Dans la plupart des situations, notamment lors d'un usage multitâche courant, les cœurs du CPU ne sont pas sollicités à pleine capacité. Il reste donc de la marge pour traiter d'autres opérations. Le Hyper-Threading exploite la puissance de traitement inutilisée d'un cœur de CPU pour exécuter d'autres threads, ce qui permet de tirer pleinement parti du potentiel du CPU.

Malgré ses avantages, le Hyper-Threading présente aussi des inconvénients notables. Le principal est une consommation électrique accrue. Par rapport aux puces ARM, les processeurs Intel sont réputés pour leur forte consommation d'énergie sur les ordinateurs portables, et le Hyper-Threading en est l'une des causes.

Cette consommation plus élevée entraîne des températures élevées et un thermal throttling, où le CPU réduit ses performances pour éviter la surchauffe. Par ailleurs, les appareils portables équipés de tels CPU Intel nécessitent des systèmes de refroidissement plus imposants, ce qui peut augmenter considérablement le poids et les dimensions de l'appareil.

Enfin, comme le gain de performance dépend fortement de l'application, c'est aux développeurs qu'il revient de concevoir des programmes tirant parti du Hyper-Threading. Cela complique le développement de logiciels optimisés. De plus, les applications qui ne prennent pas en charge le Hyper-Threading peuvent ne pas fonctionner correctement dans des conditions d'utilisation intensive du processeur.

Plus de cœurs vs. plus de threads : qu'est-ce qui est mieux ?

Tout dépendant des programmes que vous comptez utiliser, il est difficile de dire lequel des deux est plus important dans l'absolu. Plus de cœurs signifie généralement plus de ressources disponibles. En revanche, davantage de threads peut améliorer les capacités multitâches, sans que ce soit toujours le cas.

Pour les programmes fortement multithreadés, disposer de plus de threads par cœur de CPU donne souvent de meilleures performances et une exécution plus rapide. À l'inverse, les programmes optimisés pour une architecture monocœur peuvent voir leurs performances baisser lorsque le Hyper-Threading est activé sur un CPU.

Cela dit, certains ont remarqué que plusieurs jeux, anciens comme récents, fonctionnent nettement mieux avec le Hyper-Threading désactivé. Un utilisateur sur Reddit affirme par exemple avoir constaté une augmentation de 30 % du FPS dans la plupart des jeux après avoir désactivé le Hyper-Threading sur son CPU Intel Core i9.

Pendant des années, Intel a dominé le marché des CPU pour ordinateurs portables et de bureau avec des puces offrant deux fois plus de threads que de cœurs, grâce au Hyper-Threading. Mais certains concurrents ont récemment développé des architectures de CPU qui se sont révélées bien plus efficaces tout en proposant des cœurs à thread unique.

Apple Silicon, par exemple, est une gamme de puces ARM qui s'est avérée nettement plus économe en énergie que les modèles à base de Intel dans les récents ordinateurs d'Apple. Plusieurs nouveaux ordinateurs portables Windows, dont le Microsoft Surface Pro 11, ont également adopté des processeurs ARM pour une meilleure autonomie et de meilleures performances au quotidien. Toutes ces puces ARM intègrent des cœurs à thread unique.

En définitive, avoir plus de threads ne se traduit pas nécessairement par de meilleures performances du CPU. En revanche, avoir plus de cœurs est un facteur plus déterminant pour la capacité d'un processeur à gérer des instructions plus complexes et plus gourmandes en ressources.

Quels autres facteurs déterminent les performances d'un CPU ?

Nous avons passé en revue les différences entre cœurs et threads dans les processeurs. Ce ne sont cependant pas les seuls facteurs qui influencent les performances finales de votre CPU.

La fréquence d'horloge (aussi appelée « vitesse d'horloge » ou simplement « fréquence ») est l'un des principaux critères de différenciation entre les processeurs. En bref, la fréquence d'horloge mesure le nombre de cycles qu'un CPU peut effectuer par seconde. Par exemple, un processeur cadencé à 3,2 GHz peut exécuter 3,2 milliards de cycles par seconde.

Un autre paramètre à prendre en compte est la mémoire cache du CPU. Il s'agit d'une mémoire rapide qui stocke les données fréquemment consultées. Plus le cache est grand et rapide, plus le CPU est efficace pour les tâches nécessitant des accès répétés aux données.

Les processeurs sont fabriqués selon des procédés de gravure en nanomètres (nm), comme 7 nm ou 5 nm. Des nœuds plus petits permettent d'intégrer davantage de transistors sur la puce, ce qui améliore l'efficacité énergétique et les performances : les signaux parcourent des distances plus courtes et consomment donc moins de temps et d'énergie.

D'autres facteurs comme l'IPC (Instructions Per Cycle), la vitesse du bus et la puissance thermique de conception (TDP) influencent également les performances que vous pouvez tirer d'un CPU.

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Conclusion : thread vs. cœur

En matière de performances, le CPU est le composant central chargé d'exécuter les programmes. Un cœur de CPU est une unité physique de traitement des tâches. En général, les CPU disposent de plusieurs cœurs, chacun exécutant au moins un thread.

Un thread désigne la plus petite séquence d'instructions envoyée à un cœur de CPU pour être traitée. Chaque cœur peut gérer au moins un thread à la fois. Sur les processeurs dotés de l'Hyper-Threading, ce nombre passe à deux : deux threads peuvent alors utiliser simultanément les ressources d'un même cœur pour exécuter des tâches différentes.

Les cœurs compatibles SMT peuvent gérer plusieurs threads en parallèle et offrent théoriquement de meilleures capacités multitâches, mais cela ne se traduit pas toujours par une augmentation directe du débit de traitement.

Questions fréquemment posées

Vaut-il mieux avoir plus de cœurs ou plus de threads ?

Tout dépend des applications que vous utilisez. Les programmes fortement multi-threadés tirent généralement parti d'un plus grand nombre de threads, tandis que certaines applications sont plus performantes sur des cœurs mono-thread. En revanche, davantage de cœurs se traduit plus directement par une hausse des performances du CPU.

Combien de threads y a-t-il dans un cœur ?

Sur la plupart des CPU Intel actuels, chaque cœur peut gérer deux threads simultanément grâce à l'Hyper-Threading. Ce n'est cependant pas le cas de toutes les puces : les CPU ARM, par exemple, ne gèrent qu'un thread par cœur.

Quelle est la différence entre un cœur et un processeur ?

Un cœur est une unité de traitement physique intégrée dans un processeur (CPU). Un processeur peut contenir plusieurs cœurs, chacun étant capable d'exécuter des instructions de manière indépendante.