Fonctionnement d'un ordinateur/La performance d'un ordinateur

Dans ce qui précède, nous avons abordé divers paramètres, qui sont souvent indiqués lorsque vous achetez un processeur, de la mémoire, ou tout autre composant électronique :

  • la finesse de gravure ;
  • le nombre de transistors ;
  • la fréquence ;
  • et la tension d'alimentation.

Ces paramètres ont une influence indirecte sur les performances d'un ordinateur, ou sur sa consommation énergétique. Dans ce qui va suivre, nous allons voir comment déduire la performance d'un processeur ou d'une mémoire suivant ces paramètres. Nous allons aussi étudier quel est l'impact de la finesse de gravure sur la consommation d'énergie d'un composant électronique. Cela nous amènera à étudier les tendances de l'industrie.

Pour commencer, il faut d'abord définir ce qu'est la performance d'un ordinateur. C'est loin d'être une chose triviale : de nombreux paramètres font qu'un ordinateur sera plus rapide qu'un autre. De plus, la performance ne signifie pas la même chose selon le composant dont on parle. La performance d'un processeur n'est ainsi pas comparable à la performance d'une mémoire ou d'un périphérique. La finesse de gravure n'a pas d'impact en elle-même sur la performance ou la consommation d'énergie : elle permet juste d'augmenter le nombre de transistors et la fréquence, tout en diminuant la tension d'alimentation. Et ce sont ces trois paramètres qui vont nous intéresser.

La performance du processeurModifier

Concevoir un processeur n'est pas une chose facile et en concevoir un qui soit rapide l'est encore moins, surtout de nos jours. Pour comprendre ce qui fait la rapidité d'un processeur, nous allons devoir déterminer ce qui fait qu'un programme lancé sur notre processeur va prendre plus ou moins de temps pour s’exécuter.

Le temps d’exécution d'une instruction : CPI et fréquenceModifier

Le temps que met un programme pour s’exécuter est le produit :

  • du nombre moyen d'instructions exécutées par le programme ;
  • de la durée moyenne d'une instruction, en seconde.
 , avec N le nombre moyen d'instruction du programme et   la durée moyenne d'une instruction.

Le nombre moyen d'instructions exécuté par un programme s'appelle l'Instruction path length, ou encore longueur du chemin d'instruction en français. Si on utilise le nombre moyen d’instructions, c'est car il n'est pas forcément le même d'une exécution à l'autre. Les processeurs modernes disposent de fonctionnalités appelées branchements qui leur permettent de passer outre certaines sections de code quand elles ne sont pas nécessaires. Par exemple, certaines sections de code ne sont exécutées que si une condition bien spécifique est remplie, grâce à ces branchements. Tout cela deviendra plus clair quand nous aborderons les instructions et les structures de controle, dans un chapitre dédié.

Le temps d’exécution d'une instruction peut s'exprimer en secondes, mais on peut aussi l'exprimer en nombre de cycles d'horloge. Par exemple, sur les processeurs modernes, une addition va prendre un cycle d'horloge, une multiplication entre 1 et 2 cycles, etc. Cela dépend du processeur, de l'opération, et d'autres paramètres assez compliqués. Mais on peut calculer un nombre moyen de cycle d'horloge par opération : le CPI (Cycle Per Instruction). Le temps d’exécution moyen, en seconde, d'une instruction dépend alors :

  • du nombre moyen de cycles d'horloge nécessaires pour exécuter une instruction, qu'on notera CPI (ce qui est l'abréviation de Cycle Per Instruction) ;
  • et de la durée d'un cycle d'horloge, notée P (P pour période).
 

Quand on sait que la durée d'un cycle d'horloge n'est autre que l'inverse de la fréquence on peut reformuler en :

 , avec f la fréquence.

La puissance de calcul : IPC et fréquenceModifier

On peut rendre compte de la puissance du processeur par une seconde approche. Au lieu de faire intervenir le temps mis pour exécuter une instruction, on peut utiliser la puissance de calcul, à savoir le nombre de calculs que l'ordinateur peut faire par secondes. En toute rigueur, cette puissance de calcul se mesure en nombre d'instructions par secondes, une unité qui porte le nom de IPS. En pratique, la puissance de calcul se mesure en MIPS : Million Instructions Per Second, (million de calculs par seconde en français). Plus un processeur a un MIPS élevé, plus il sera rapide : un processeur avec un faible MIPS mettra plus de temps à faire une même quantité de calcul qu'un processeur avec un fort MIPS. Le MIPS est surtout utilisé comme estimation de la puissance de calcul sur des nombres entiers. Mais il existe cependant une mesure annexe, utilisée pour la puissance de calcul sur les nombres flottants : le FLOPS, à savoir le nombre d'opérations flottantes par seconde.

Par définition, le nombre d'instruction par secondes se calcule en prenant le nombre d'instruction exécutée, et en divisant par le temps d’exécution, ce qui donne :

 , avec   le temps moyen d’exécution d'une instruction.

Sachant que l'on a vu plus haut que  , on peut faire le remplacement :

 

L'équation nous dit quelque chose d'assez intuitif : plus la fréquence du processeur est élevée, plus il est puissant. Par contre, elle ne dépend pas du CPI, mais de son inverse : le nombre de calculs qui sont effectués par cycle d'horloge. Celui-ci porte le doux nom d'IPC (Instruction Per Cycle). Celui-ci a plus de sens sur les processeurs actuels, qui peuvent effectuer plusieurs calculs en même temps, dans des circuits différents (des unités de calcul différentes, pour être précis). Sur ces ordinateurs, l'IPC est supérieur à 1. En remplaçant l'inverse du CPI par l'IPC, on a alors :

 

La puissance de calcul est égale à la fréquence multipliée par l'IPC. En clair, plus la fréquence ou l'IPC sont élevés, plus le processeur sera rapide. Cependant, des processeurs de même fréquence ont souvent des IPC différents, ce qui fait que la relation entre fréquence et puissance de calcul dépend fortement du processeur. On ne peut donc pas comparer deux processeurs sur la seule base de leur fréquence. Et si la fréquence est généralement une information qui est mentionnée lors de l'achat d'un processeur, l'IPC ne l'est pas. La raison vient du fait que la mesure de l'IPC n'est pas normalisée et qu'il existe de très nombreuses façons de le mesurer. Il faut dire que l'IPC varie énormément suivant les opérations, le programme, diverses optimisations matérielles, etc.

Comment Augmenter les performances d'un processeur ?Modifier

On vient de voir que le temps d’exécution d'un programme est décrit par la formule suivante :

 , avec f la fréquence.

Les équations précédentes nous disent qu'il existe trois moyens pour accélérer un programme :

  • diminuer le nombre d'instructions à exécuter ;
  • diminuer le CPI (nombre de cycles par instruction) ou augmenter l'IPC ;
  • augmenter la fréquence.

Voyons en détail ces trois solutions.

Diminuer l'instruction path lengthModifier

L'instruction path length peut varier suivant les données manipulées par le programme, leur taille, leur quantité, etc. Il est possible de le réduire, mais cela demande généralement au programmeur d'optimiser son programme ou un meilleur compilateur. La seule option au niveau matériel est d'améliorer le jeu d'instruction. Cette dernière solution peut s'implémenter facilement. Il suffit de créer des instructions plus complexes, capables de remplacer des suites d'instructions simples : il n'est pas rare qu'une grosse instruction complexe fasse exactement la même chose qu'une suite d'instructions plus élémentaires. Par exemple, on peut implémenter des instructions pour le calcul de la racine carrée, de l'exponentielle, des puissances, des fonctions trigonométriques : cela évite d'avoir à simuler ces calculs à partir d'additions ou de multiplications. Les programmes qui font alors usage de ces opérations compliquées seront naturellement plus rapides.

Cependant, cette solution a des défauts. Par exemple, cela demande d'ajouter des circuits électroniques, qui consomment et chauffent. Mais le principal problème est que les occasions d'utiliser les instructions complexes sont assez rares, ce qui fait que les compilateurs ou programmeurs ne les utilisent pas, même quand elles peuvent être utiles. Cela explique que la mode actuelle est plutôt d'avoir des processeurs avec un nombre limité d'instruction machine très rapides (les fameux processeurs RISC). Mieux vaut utiliser des circuits électroniques pour de la mémoire cache, pour des unités de calcul ou ajouter des cœurs que d'implémenter des instructions inutiles. La seule exception notable tient dans les instructions dites vectorielles, que nous verrons dans les derniers chapitres.

De plus, ajouter des instructions complexes est quelque chose qui doit se faire sur le long terme, avec le poids de la compatibilité, ce qui n'est pas sans poser quelques problèmes. Par exemple, un programme qui utiliserait des instructions complexes récentes ne peut pas fonctionner sur les anciens processeurs ne possédant pas ces instructions. Ainsi, on a beau rajouter des tas d'instructions dans nos processeurs, il faut attendre que tout le monde ait un processeur avec ces nouvelles instructions pour les utiliser. Pour donner un exemple très simple : à votre avis, sur les nouvelles instructions rajoutées dans chaque nouveau processeur Intel, AMD, ou ARM, combien sont réellement utilisées dans les programmes que vous utilisez ? Combien utilisent les instructions SSE, AVX ou autres extensions récentes ? Très peu.

Diminuer le CPIModifier

Il existe différentes solutions pour diminuer CPI. Tout d'abord, on peut concevoir notre processeur de façon à diminuer le temps mis par le processeur pour exécuter une instruction. C'est particulièrement difficile et nécessite de refaire ses circuits, trouver de nouveaux algorithmes matériels pour effectuer une instruction, améliorer son fonctionnement et sa conception, etc.

Une autre solution consiste à mieux choisir les instructions utilisées. Comme je l'ai dit plus haut, le CPI est une moyenne : certaines instructions sont plus rapides que d'autres. En utilisant de préférence des instructions rapides au lieu d'instructions plus lentes pour faire la même chose, on peut facilement diminuer le CPI. De nos jours, les programmeurs n'ont que très peu d'influence sur le choix des instructions à utiliser : les langages de haut niveau comme le C++ ou le Java se sont démocratisés et ont délégués cette tache aux compilateurs (qui se débrouillent particulièrement bien, en passant).

La dernière solution consiste à exécuter plusieurs instructions à la fois, à augmenter le débit d’instructions. L'idée est d'augmenter l'IPC non pas en jouant sur le temps d'une instruction, mais en exécutant plusieurs instructions durant un même cycle. Ce faisant, on peut augmenter l'IPC, même sans changer le temps que met une instruction à s’exécuter. Les processeurs récents utilisent beaucoup ce genre d'astuce et sont capables d’exécuter plusieurs dizaines, voire centaines d'instructions en parallèle. Une bonne partie de la fin du cours est d'ailleurs dédiée aux techniques qui permettent ce genre de prouesses.

Augmenter la fréquenceModifier

Augmenter la fréquence demande d'utiliser des composants électroniques plus rapides. Généralement, cela nécessite de miniaturiser les transistors de notre processeur : plus un transistor est petit, plus il est rapide. Diminuer la taille des transistors permet de les rendre plus rapides. C'est un scientifique du nom de Robert Dennard qui a découvert un moyen de rendre un transistor plus rapide en diminuant certains de ses paramètres physiques. De plus, la vitesse de transmission des bits dans les fils d'interconnexions est proportionnelle à leur longueur : plus ces fils seront courts, plus la transmission sera rapide. Ce qui est clairement un second effet positif de la miniaturisation sur la fréquence.

Sachant que la loi de Moore nous dit que le nombre de transistors d'un processeur est multiplié par 2 tous les deux ans, on peut s'attendre à ce qu'il en soit de même pour la fréquence. En réalité, la fréquence ne dépend pas du nombre de transistor, mais de la longueur de leur côté, la finesse de gravure. La loi de Moore dit que les transistors prennent 2 fois moins de place tous les deux ans. Or, les transistors sont réunis sur une surface : qui dit diminution par deux de la surface signifie division par   de la longueur d'un transistor, de sa finesse de gravure. Ainsi, la finesse de gravure est divisée par   tous les deux ans. La fréquence ces processeurs est, en conséquence, multipliée par   tous les deux ans, ce qui donne environ 40% de performances en plus tous les deux ans. Du moins, c'est la théorie… En réalité, cette augmentation de 40% n'est qu'une approximation : la fréquence effective d'un processeur dépend fortement de sa conception (de la longueur du pipeline, notamment) et des limites imposées par la consommation thermique.

L'évolution de la performance dans le tempsModifier

On vient de voir comment quantifier la performance d'un processeur : avec sa fréquence, et avec son IPC/CPI. Il va de soi que les nouveaux processeurs sont plus puissants que les anciens. La raison à cela vient des optimisations apportées par les concepteurs de processeurs. La plupart de ces optimisations ne sont cependant possibles qu'avec la miniaturisation des transistors, qui leur permet d'aller plus vite. On a vu plus haut que la vitesse des transistors est proportionnelle à la finesse de gravure. En conséquence, tous deux augmentent de 40 % tous les deux ans (elle est multipliée par la racine carrée de deux). Pour cette raison, la fréquence devrait augmenter au même rythme. Cependant, la fréquence dépend aussi de la rapidité du courant dans les interconnexions (les fils) qui relient les transistors, celles-ci devenant de plus en plus un facteur limitant pour la fréquence.

De plus, si la miniaturisation permet d'augmenter la fréquence, elle permet aussi d'améliorer l'IPC et le CPI. Cependant, si l'effet est direct sur la fréquence, il est assez indirect en ce qui concerne le CPI. La loi de Pollack dit que l'augmentation de l'IPC d'un processeur est approximativement proportionnelle à la racine carrée du nombre de transistors ajoutés : si on double le nombre de transistors, la performance est multipliée par la racine carrée de 2. En utilisant la loi de Moore, on en déduit qu'on gagne approximativement 40% d'IPC tous les deux ans, à ajouter aux 40 % d'augmentation de fréquence.

On peut expliquer cette loi de Pollack assez simplement. Il faut savoir que les processeurs modernes peuvent exécuter plusieurs instructions en même temps (on parle d’exécution superscalaire), et peuvent même changer l'ordre des instructions pour gagner en performances (on parle d’exécution dans le désordre). Pour cela, les instructions sont préchargées dans une mémoire tampon de taille fixe, interne au processeur, avant d'être exécutée en parallèle dans divers circuits de calcul. Cependant, le processeur doit gérer les situations où une instruction a besoin du résultat d'une autre pour s'exécuter : si cela arrive, on ne peut exécuter les instructions en parallèle. Pour détecter une telle dépendance, chaque instruction doit être comparée à toutes les autres, pour savoir quelle instruction a besoin des résultats d'une autre. Avec N instructions, vu que chacune d'entre elles doit être comparée à toutes les autres, ce qui demande N^2 comparaisons. En doublant le nombre de transistors, on peut donc doubler le nombre de comparateurs, ce qui signifie que l'on peut multiplier le nombre d'instructions exécutables en parallèle par la racine carrée de deux.

On peut cependant contourner la loi de Pollack, qui ne vaut que pour un seul processeur. Mais en utilisant plusieurs processeurs, la performance est la somme des performances individuelles de chacun d'entre eux. C'est pour cela que les processeurs actuels sont doubles, voire quadruple cœurs : ce sont simplement des circuits imprimés qui contiennent deux, quatre, voire 8 processeurs différents, placés sur la même puce. Chaque cœur correspond à un processeur. En faisant ainsi, doubler le nombre de transistors permet de doubler le nombre de cœurs et donc de doubler la performance, ce qui est mieux qu'une amélioration de 40%.

La performance d'une mémoireModifier

Toutes les mémoires ne sont pas faites de la même façon et les différences entre mémoires sont nombreuses. Dans cette partie, on va passer en revue les différences les plus importantes.

La capacité mémoireModifier

Pour commencer, une mémoire ne peut pas stocker une quantité infinie de données : qui n'a jamais eu un disque dur ou une clé USB plein ? Et à ce petit jeu là, toutes les mémoires ne sont pas égales : elles n'ont pas la même capacité. Cette capacité mémoire n'est autre que le nombre maximal de bits qu'une mémoire peut contenir. Dans la majorité des mémoires, les bits sont regroupés en paquets de taille fixe : des cases mémoires, aussi appelées bytes. De nos jours, le nombre de bits par byte est généralement un multiple de 8 bits : ces groupes de 8 bits s'appellent des octets. Mais toutes les mémoires n'ont pas des bytes d'un octet ou plusieurs octets : certaines mémoires assez anciennes utilisaient des cases mémoires contenant 1, 2, 3, 4, 7, 18, 36 bits.

Les unités de capacité mémoire : kilo, méga et gigasModifier

Le fait que les mémoires aient presque toutes des bytes faisant un octet nous arrange pour compter la capacité d'une mémoire. Au lieu de compter cette capacité en bits, on préfère mesurer la capacité d'une mémoire en donnant le nombre d'octets que celle-ci peut contenir. Mais les mémoires des PC font plusieurs millions ou milliards d'octets. Pour se faciliter la tâche, on utilise des préfixes pour désigner les différentes capacités mémoires. Vous connaissez sûrement ces préfixes : kibioctets, mébioctets et gibioctets, notés respectivement Kio, Mio et Gio.

Préfixe Capacité mémoire en octets Puissance de deux
Kio 1024 210 octets
Mio 1 048 576 220 octets
Gio 1 073 741 824 230 octets

On peut se demander pourquoi utiliser des puissances de 1024, et ne pas utiliser des puissances un peu plus communes ? Dans la majorité des situations, les électroniciens préfèrent manipuler des puissances de deux pour se faciliter la vie. Par convention, on utilise souvent des puissances de 1024, qui est la puissance de deux la plus proche de 1000. Or, dans le langage courant, kilo, méga et giga sont des multiples de 1000. Quand vous vous pesez sur votre balance et que celle-ci vous indique 58 kilogrammes, cela veut dire que vous pesez 58 000 grammes. De même, un kilomètre est égal à 1000 mètres, et non 1024 mètres.

Autrefois, on utilisait les termes kilo, méga et giga à la place de nos kibi, mebi et gibi, par abus de langage. Mais peu de personnes sont au courant de l'existence de ces nouvelles unités, et celles-ci sont rarement utilisées. Et cette confusion permet aux fabricants de disques durs de nous « arnaquer » : Ceux-ci donnent la capacité des disques durs qu'ils vendent en kilo, mega ou giga octets : l’acheteur croit implicitement avoir une capacité exprimée en kibi, mebi ou gibi octets, et se retrouve avec un disque dur qui contient moins de mémoire que prévu.

L'évolution de la capacité suivant le type de mémoireModifier

De manière générale, les mémoires électroniques sont plus rapides que les mémoires magnétiques ou optiques, mais ont une capacité inférieure. La loi de Moore a une influence certaine sur la capacité des mémoires électroniques. En effet, une mémoire électronique est composée de bascules de 1 bit, elles-mêmes composées de transistors : plus la finesse de gravure est petite, plus la taille d'une bascule sera faible. Quand le nombre de transistors d'une mémoire double, on peut considérer que le nombre de bascules, et donc la capacité double. D'après la loi de Moore, cela arrive tous les deux ans, ce qui est bien ce qu'on observe pour les mémoires RAM.

 
Évolution du nombre de transistors d'une mémoire électronique au cours du temps. On voit que celle-ci suit de près la loi de Moore.

Par contre, les mémoires magnétiques, comme les disques durs, augmentent à un rythme différent, celles-ci n'étant pas composées de transistors.

 
Évolution de la capacité des disques durs (mémoires magnétiques) dans le temps en échelle logarithmique.

Le temps d’accès d'une mémoireModifier

La vitesse d'une mémoire correspond au temps qu'il faut pour récupérer une information dans la mémoire, ou pour y effectuer un enregistrement. Lors d'une lecture/écriture, il faut attendre un certain temps que la mémoire finisse de lire ou d'écrire la donnée : ce délai est appelé le temps d'accès, ou aussi temps de latence. Plus celui-ci est bas, plus la mémoire est rapide. Il se mesure en secondes, millisecondes, microsecondes pour les mémoires les plus rapides. Généralement, le temps de latence dépend de temps de latences plus élémentaires, qui sont appelés les timings mémoires.

Cependant, tous les accès à la mémoire ne sont pas égaux en termes de temps d'accès. Généralement, lire une donnée ne prend pas le même temps que l'écrire. Dit autrement, le temps d'accès en lecture est souvent inférieur au temps d'accès en écriture. Il faut dire qu'il est beaucoup plus fréquent de lire dans une mémoire qu'y écrire, et les fabricants préfèrent donc réduire le temps d'accès en lecture.

Voici les temps d'accès moyens en lecture de chaque type de mémoire :

  • Registres : 1 nanoseconde (10-9)
  • Caches : 10 - 100 nanosecondes (10-9)
  • Mémoire RAM : 1 microseconde (10-6)
  • Mémoires de masse : 1 milliseconde (10-3)

Le débit d'une mémoireModifier

Enfin, toutes les mémoires n'ont pas le même débit binaire. Par débit, on veut dire que certaines sont capables d'échanger un grand nombre de données par seconde, alors que d'autres ne peuvent échanger qu'un nombre limité de données sur le bus. Le débit binaire est la quantité de données que la mémoire peut envoyer ou recevoir par seconde. Il se mesure en en octets par seconde ou en bits par seconde. Évidemment, plus ce débit est élevé, plus la mémoire sera rapide. Il ne faut pas confondre le débit et le temps d'accès. Pour faire une analogie avec les réseaux, le débit binaire peut être vu comme la bande passante, alors que le temps d'accès serait similaire au ping. Il est parfaitement possible d'avoir un ping élevé avec une connexion qui télécharge très vite, et inversement. Pour la mémoire, c'est similaire. D'ailleurs, le débit binaire est parfois improprement appelé bande passante.

Dans presque tous les cas, le débit dépend fortement de la fréquence de la mémoire. Or, l'évolution de la fréquence des mémoires suit plus ou moins celle des processeurs, elle double au même rythme. Mais malheureusement, cette fréquence reste inférieure à celle des processeurs. Cette augmentation de fréquence permet au débit des mémoires d'augmenter avec le temps. En effet, à chaque cycle d'horloge, la mémoire peut envoyer ou recevoir une quantité fixe de données. En multipliant cette largeur du bus par la fréquence, on obtient le débit. Par contre, la fréquence n'a aucun impact sur le temps de latence.

Le temps de balayageModifier

Le temps de balayage d'une mémoire est le temps mis pour parcourir/accéder à toute la mémoire. Concrètement, il est défini en divisant la capacité de la mémoire par son débit binaire. Le résultat s'exprime en secondes. Le temps de balayage est en soi une mesure peu utilisée, sauf dans quelques applications spécifiques. C'est le temps nécessaire pour lire ou réécrire tout le contenu de la mémoire. On peut le voir comme une mesure du compromis réalisé entre la capacité de la mémoire et sa rapidité : une mémoire aura un temps de balayage d'autant plus important qu'elle est lente à capacité identique, ou qu'elle a une grande capacité à débit identique. Généralement un temps de balayage faible signifie que la mémoire est rapide par rapport à sa capacité.

Comme dit plus haut, le temps d'accès est différent pour les lectures et les écritures, et il en est de même pour le débit binaire. En conséquence, le temps de balayage n'est pas le même si le balayage se fait en lecture ou en écriture. On doit donc distinguer le temps de balayage en lecture qui est le temps mis pour lire la totalité de la mémoire, et le temps de balayage en écriture qui est le temps mis pour écrire une donnée dans toute la mémoire. La distinction est d'autant plus importante que les cas où on balaye une mémoire en lecture avec les cas où on balaye la mémoire en écriture. Généralement, on balaye une mémoire en lecture quand on veut recherche une donnée bien précise dedans. Par contre, le balayage en écriture correspond surtout aux cas où on veut réinitialiser la mémoire, la remplir tout son contenu avec des zéros afin de la remettre au même état qu'à son démarrage.

Un exemple de balayage en écriture est celui d'une réinitialisation de la mémoire, à savoir remplacer le contenu de chaque case mémoire par un 0. Le temps nécessaire pour réinitialiser la mémoire n'est autre que le temps de balayage en écriture. En soi, les opérations de réinitialisation de la mémoire sont plutôt rares. Certains vieux ordinateurs effaçaient la mémoire à l'allumage, et encore pas systématiquement, mais ce n'est plus le cas de nos jours. Un cas plus familier est celui du formatage complet du disque dur. Si vous voulez formater un disque dur ou une clé USB ou tout autre support de stockage, le système d'exploitation va vous donner deux choix : le formatage rapide et le formatage complet. Le formatage rapide n'efface pas les fichiers sur le disque dur, mais utilise des stratagèmes pour que le système d'exploitation ne puisse plus savoir où ils sont sur le support de stockage. Les fichiers peuvent d'ailleurs être récupérés avec des logiciels spécialisés trouvables assez facilement. Par contre, le formatage complet efface la totalité du disque dur et effectue bel et bien une réinitialisation. Le temps mis pour formater le disque dur n'est autre que le temps de balayage en écriture.

Un autre cas de réinitialisation de la mémoire est celui de l'effacement du framebuffer sur les très vielles cartes graphiques. Sur les vielles cartes graphiques, la mémoire vidéo ne servait qu'à stocker des images calculées par le processeur. Le processeur calculait l'image à afficher et l'écrivait dans la mémoire vidéo, appelée framebuffer. Puis, l'image était envoyée à l'écran quand celui-ci était libre, la carte graphique gérant l'affichage. L'écran affichait généralement 60 images par secondes, et le processeur devait calculer une image en moins de 1/60ème de seconde. Mais si le processeur mettait plus de temps, l'image dans le framebuffer était un mélange de l'ancienne image et des parties de la nouvelle image déjà calculées par le processeur. L'écran affichait donc une image bizarre durant 1/60ème de seconde, ce qui donnait des légers bugs graphiques très brefs, mais visibles. Pour éviter cela, le framebuffer était effacé entre chaque image calculée par le processeur. Au lieu d'afficher un bug graphique, l'écran affichait alors une image blanche en cas de lenteur du processeur. Cette solution était possible, car les mémoires de l'époque avaient un temps de balayage en écriture assez faible. De nos jours, cette solution n'est plus utilisée, car la mémoire vidéo stocke d'autres données que l'image à afficher à l'écran, et ces données ne doivent pas être effacées.

Le temps de balayage en lecture est surtout pertinent dans les cas où on recherche une donnée précise dans la mémoire. L'exemple le plus frappant est celui des antivirus, qui recherchent si une certaine suite de donnée est présente en mémoire RAM. Les antivirus scannent régulièrement la RAM à la recherche du code binaire de virus, et doivent donc balayer la RAM et appliquer des algorithmes assez complexes sur les données lues. Bref, le temps de balayage donne le temps nécessaire pour scanner la RAM, si on oublie le temps de calcul. Tous les exemples précédents demandent de scanner la RAM à la recherche d'une donnée précise, et le temps de balayage donne une borne inférieure à ce temps de recherche. Cet exemple n'est peut-être pas très réaliste, mais il deviendra plus clair dans le chapitre sur les mémoires associatives, un type de mémoire particulier conçu justement pour réduire le temps de balayage en lecture au strict minimum.

Enfin, on peut aussi citer le cas où l'on souhaite vérifier le contenu de la mémoire, pour vérifier si tous les bytes fonctionnent bien. Il arrive que les mémoires RAM aient des pannes : certains bytes tombent en panne après quelques années d'utilisation, et deviennent inaccessibles. Lorsque cela arrive, tout se passe bien tant que les bytes défectueux ne sont pas lus ou écrits. Mais quand cela arrive, les lectures renvoient des données incorrectes. Les conséquences peuvent être très variables, mais cela cause généralement des bugs assez importants, voire des écrans ou de beaux plantages. De nombreux cas d'instabilité système sont liés à ces bytes défectueux. Il est possible de vérifier l'intégrité de la mémoire avec des logiciels spécialisés, qui vérifient chaque byte de la mémoire un par un. Les systèmes d'exploitation modernes incorporent un logiciel de ce genre, comme Windows qui en a un d'intégré. Le BIOS ou l'UEFI de votre ordinateur a de bonnes chances d'intégrer un logiciel de ce genre. Ces logiciels de diagnostic mémoire balayent la mémoire byte par byte, case mémoire par case mémoire, et effectuent divers traitements dessus. Dans le cas le plus simple, ils écrivent une donnée dans chaque byte, avant de le lire : si la donnée lue et écrite ne sont pas la même, le byte est défectueux. Mais d'autres traitements sont possibles. Toujours est-il que ces utilitaires balayent la mémoire, généralement plusieurs fois. LE temps de balayage donne alors une idée du temps que mettront ces logiciels de diagnostic pour s’exécuter.

La performance des entrées-sortiesModifier

Pour une entrée-sortie, la mesure de la performance dépend énormément du composant en question. Par exemple, on ne mesure pas la vitesse d'un disque dur de la même manière que celle d'un écran. Nous aborderons plus en détail les mesures de performances des différents périphériques dans les chapitres adéquats. Cependant, on peut donner le principe de base, valable en théorie pour tous les périphériques. Pour tous les périphériques, on peut mesurer le débit binaire, à savoir la quantité de données que celui-ci transmet à l'ordinateur par secondes.

Le débit binaire d'un périphérique est le produit de deux facteurs : le nombre d'opérations d'entrée-sortie par secondes, et la taille des données échangée par opération. Ces opérations d'entrée-sortie correspondent chacune à un échange de données entre le périphérique et le reste de l'ordinateur, via le bus. Cela peut se résumer par la formule suivante :

 , avec D le débit binaire, IOPS le nombre d'opérations disque par secondes, et T la quantité de données échangée lors d'une opération d'entrée-sortie.

Augmenter la taille des données transmises augmente donc le débit, mais cette technique est rarement utilisée. Les bus ne sont extensibles à l'infini. À la place, la majorité des périphériques incorpore diverses optimisations pour augmenter l'IOPS, ce qui permet un meilleur débit pour une taille T identique.