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Article

1 - CONSOMMATION DE PUISSANCE : CRITÈRE PRINCIPAL DE LA CONCEPTION DES SYSTÈMES SUR PUCE

2 - TECHNIQUES UTILISÉES POUR RÉDUIRE LA CONSOMMATION

  • 2.1 - Réduction de la puissance statique
  • 2.2 - Réduction de la puissance dynamique
  • 2.3 - Réduction simultanée des puissances statique et dynamique

3 - INTÉGRATION DE CES TECHNIQUES DANS LES ARCHITECTURES MATÉRIELLES/LOGICIELLES

4 - INTÉGRATION DES TECHNIQUES BASSE CONSOMMATION DANS UN FLOT DE CONCEPTION

5 - CONCLUSION ET PERSPECTIVES

6 - GLOSSAIRE

Article de référence | Réf : H8270 v1

Intégration de ces techniques dans les architectures matérielles/logicielles
Techniques de gestion de puissance dans les systèmes sur puce

Auteur(s) : Michel AUGUIN, François VERDIER, Hend AFFES

Date de publication : 10 juil. 2016

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Sommaire

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RÉSUMÉ

Dans la plupart des applications, la consommation d’énergie est un critère majeur dans la conception de circuits électroniques embarqués. Les contraintes sont de concevoir des systèmes à faible consommation de puissance ou à température maîtrisée, voire une combinaison des deux pour certains systèmes. Les applications mobiles ou embarquées alimentées sur piles ou batterie tombent dans le premier type d’application. Le deuxième type d’application implique des circuits complexes, intégrant un grand nombre de transistors (traitement multimédia, jeux vidéo…). Pour ces systèmes, différentes techniques au niveau matériel sont utilisées pour contrôler et réduire la puissance dissipée dans un circuit. Cet article propose un aperçu de ces techniques en se plaçant au niveau de l’architecture système.

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ABSTRACT

Power management techniques in system on chips

In most applications, power consumption has become a major criterion in the design of embedded electronic devices. The requirements of target applications may influence the design of systems with very low power consumption or with managed temperature, or a combination of the two for some systems. Mobile and embedded systems powered by batteries belong to the first type of application. The second type of application involves complex chips, including a large number of transistors (e.g. multimedia processing and video games). For these systems, different hardware techniques can be used inside chips, allowing power consumption to be controlled and reduced. This article gives an overview of these techniques at system architecture level.

Auteur(s)

  • Michel AUGUIN : Directeur de Recherche - Université Nice Sophia-Antipolis, CNRS, affecté au LEAT, Sophia-Antipolis, France.

  • François VERDIER : Professeur des Universités - Université Nice Sophia-Antipolis, CNRS, affecté au LEAT, Sophia-Antipolis, France.

  • Hend AFFES : Attachée Temporaire d’Enseignement et de Recherche - Université Nice Sophia-Antipolis, CNRS, affecté au LEAT, Sophia-Antipolis, France.

INTRODUCTION

Alors que les applications ne cessent d’évoluer vers plus de complexité, on assiste dans le même temps à un accroissement des difficultés à exploiter les avancées de la technologie des semi-conducteurs qui visent à apporter des solutions performantes à ces applications. Par exemple, sous l’appellation Internet des Objets au sens large (IoT), tout un ensemble de systèmes ou d’applications embarquées est envisagé avec un développement commercial attendu a priori très important. Parmi ces systèmes, on peut citer ceux portés par la personne (smart wearables) qui incluent des capteurs, des éléments de communication, de mémorisation et de calcul avec une part de logiciel embarqué significative. Dans le domaine de la mobilité, les perspectives de systèmes qui s’appuient sur une adaptation dynamique (les systèmes identifiés avec le préfixe « Software-defined » comme « Software-defined network », « software-defined application ») visent à rendre l’infrastructure plus flexible dans son offre de services vis-à-vis d’utilisateurs mobiles. Le domaine de la réalité virtuelle est aussi un secteur en pleine évolution avec des applications potentiellement nombreuses qui nécessitent des puissances de calcul et de mémorisation intégrées importantes. L’évolution vers des résolutions d’affichage en ultra haute définition a un impact direct sur les puissances de calcul, les tailles mémoires et les débits de données que doivent supporter les architectures matérielles. Cette brève présentation du domaine des applications illustre pourquoi les besoins en électronique embarquée continuent de progresser. Ainsi la mobilité sous-jacente à tous ces systèmes met l’accent sur l’énergie nécessaire à leur fonctionnement sur un intervalle de temps sans recharge qui ne doit pas constituer une contrainte trop forte pour un usage normal de ces systèmes. Il s’agit ici souvent de rechercher des solutions d’architectures qui maximisent le rapport puissance de calcul par joule consommé afin de permettre une durée de fonctionnement correcte entre deux recharges de la batterie.

Par ailleurs, comme indiqué ci-dessus, la technologie des semi-conducteurs peine aujourd’hui à assurer une amélioration des caractéristiques des circuits suivant la même dynamique que celle observée depuis quarante ans (dynamique décrite par la Loi de Moore et ses variantes). Comme nous le montrons dans la suite, maximiser le rapport puissance de calcul par joule consommé n’est plus toujours suffisant, il peut être nécessaire de chercher également à maximiser le rapport puissance de calcul par watt consommé et ce principalement pour des questions de dissipation thermique. En effet, le caractère embarqué et mobile de certaines applications empêche d’intégrer des systèmes sophistiqués de dissipation de chaleur, il faut donc agir directement sur la source de chaleur pour éviter une montée en température qui pourrait altérer la fiabilité du système.

Nous illustrons dans la suite les principales techniques qui permettent de structurer l’architecture d’un circuit afin de pouvoir en contrôler la puissance dissipée. Ainsi structurer un circuit en domaines de puissance et en domaines d’horloge donne la possibilité d’agir sur les paramètres qui impactent directement la consommation de puissance. Cependant, cette structuration modifie les comportements du circuit et peut conduire à introduire des erreurs logiques ou des altérations des comportements temporels. Ces différents points sont abordés dans la suite de l’article en se plaçant au niveau de l’architecture matérielle du système et sans détailler comment les techniques utilisées sont mises en œuvre au niveau logique ou technologique.

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KEYWORDS

Embedded systems   |   microelectronics   |   power management

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-h8270


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3. Intégration de ces techniques dans les architectures matérielles/logicielles

Pour illustrer l’utilisation de certaines des techniques décrites, nous prenons l’exemple du circuit OMAPTM4470 de Texas Instruments de la famille OMAP4 . Il s’agit d’une architecture fortement structurée dans le but de contrôler et d’optimiser la consommation de puissance et d’énergie pour des applications mobiles exigeant un niveau de performance significatif. Cette architecture contient à la fois des unités de traitement, de stockage, de communication adaptées vis-à-vis des fonctionnalités/applications potentiellement intégrées dans ce type d’équipement. Elle contient également de nombreux mécanismes permettant de réduire la consommation de puissance ou d’énergie. L’OMAP4 a été développé en technologie 45 nm et contient par exemple les éléments suivants :

  • un processeur double-cœur Cortex-A9 de ARMTM en mode SMP (Symmetric Multi-Processing) ;

  • un accélérateur matériel IVA 3 pour l’encodage et le décodage vidéo HD ;

  • un processeur de signal et d‘image (ISP) pour la saisie de vidéos et d’images jusqu’à 20 megapixels ;

  • un cœur de traitement graphique pour l’affichage haute densité ;

  • un processeur audio (ABE) ;

  • de nombreux périphériques (HDMI, MIPI, USB2.0, Sortie TV,…).

D’un point de vue logiciel, l’OMAP4 :

  • supporte les OS et RTOS tels que Microsoft Windows Mobile, Symbian, Linux (avec Android ou Limo) ;

  • intègre différentes fonctions de communication : GPS, WiFi, Bluetooth et FM.

L’architecture de l’OMAP4470 est illustrée sur la figure 4. Tous les blocs fonctionnels sont connectés sur différents bus qui forment une hiérarchie permettant une localisation des échanges. Ces blocs sont regroupés par fonction, par exemple le sous-système ABE pour les traitements audio et de parole (en haut à gauche de la figure 4) ou le sous-système IVA-HD qui regroupe encodeurs et décodeurs vidéo....

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - MAYO (R.N.), RANGANATHAN (P.) -   Energy consumption in mobile devices: why future systems need requirements-aware energy scale-down.  -  HP Laboratories Palo Alto, HPL-2003-167 (2003).

  • (2) - SHAULY (E.N.) -   CMOS Leakage and power reduction in transistors and circuits: process and layout considerations.  -  Journal of Low Power Electronics and Application (2012).

  • (3) - AGARWAL (A.) et al -   Leakage Power Analysis and Reduction for Nanoscale Circuits.  -  IEEE Micro, Volume 26, Issue 2, March-April (2006).

  • (4) - JULIEN (N.) -   Energie et puissance dans les systèmes embarqués.  -  Techniques de l’Ingénieur [H8260], 10 février (2015).

  • (5) - KAHNG (A.B.) -   The ITRS Design Technology and System Drivers Roadmap: Process and Status.  -  Design Automation Conference, 29 Mai – 7 Juin, Austin, Texas, USA (2013).

  • ...

DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES

1 Sites Internet

ITRS, International Technology Roadmap for Semiconductors, ITRS Reports : http://www.itrs2.net/itrs-reports.html (2011 Edition, System Drivers, 2012 Update Overview)

Standard IEEE 1801-2015 UPF, https://standards.ieee.org/findstds/standard/1801-2015.html

Site CATRENE : Cluster for Application and Technology Research in Europe on NanoElectronics, http://www.catrene.org/

Site Si2, Silicon Integration Initiative, http://www.si2.org/ et le programme OpenStandard low power : https://projects.si2.org/lpc_index.php

Site de Texas Instrument https://www.ti.com/lit/pdf et notamment l’article de Loc Truong : Power Management in Embedded Systems with dual OSes : http://www.ti.com/lit/pdf/spry166

HAUT DE PAGE

2 Normes et standards

IEEE Unified Power Format (UPF) for Design and Verification of Low-Power, Energy-Aware Electronic Systems, Standard IEEE 1801, 2015.

Des extensions à la norme IP-XACT IEEE 1685™-2009 pour décrire une structure de gestion de puissance au niveau RTL a été proposée : http://accellera.org/news/press-releases/107-accellera-systems-initiative-enhances-ip-xact-standard-with-new-vendor-extensions-for-analog-mixed-signal-and-low-power-designs...

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