Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
Cet article donne quelques repères sur les besoins actuels et les développements futurs des systèmes embarqués du point de vue de la consommation. Compte tenu des prévisions pour l'évolution des applications embarquées, la consommation, qui est déjà un problème critique dans les systèmes actuels, doit être une contrainte intégrée à tous les niveaux de la conception au même titre que la surface et la vitesse. Afin de cibler les actions, nous examinerons les sources de cette consommation en technologie numérique CMOS, sa répartition dans les circuits et systèmes et les principales méthodes d'optimisation utilisées actuellement ainsi que les règles de conception à retenir.
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This article describes some trends in present needs and future developments in embedded systems as regards power and energy consumption. Considering the roadmaps for the evolution of embedded applications, power and energy consumptions, which are already a critical constraint in current systems, must be integrated at all design levels, just as area and time. To focus on the optimization issues, we look at the sources of this consumption in CMOS technologies, its distribution in the circuits and systems, and the main optimization methods currently used, together with some design rules to follow.
Auteur(s)
-
Nathalie JULIEN : Professeur des universités – Université de Bretagne Sud affectée à l'ENSIBS et au Lab-STICC Lorient
INTRODUCTION
Le facteur limitant en conception de systèmes microélectroniques a évolué des problèmes de densité d'intégration à d'autres problèmes comme la dissipation de puissance et la variabilité croissante des processus de fabrication.
Le besoin de solutions à faible consommation est particulièrement fort dans les trois domaines d'application suivants : les systèmes ambiants intelligents (incluant la communication mobile et les réseaux de capteurs), l'automobile et l'électronique de grande diffusion.
D'après Intel, actuellement chaque augmentation de 1 % en performance entraîne une augmentation de 3 % en consommation pour différentes raisons. La taille des transistors diminue et leur nombre augmente à surface donnée, la fréquence d'horloge augmente, le courant de fuite augmente, induisant de la chaleur et des pertes. Si le nombre de transistors par unité de surface continue d'augmenter de la même façon sans améliorer la gestion de la consommation, les microprocesseurs en 2015 vont consommer de l'ordre de quelques dizaines de milliers de watts par cm2, ce qui rapproche dangereusement le composant de la température de fusion du silicium. La consommation devient donc une contrainte critique. D'ailleurs certains constructeurs ont vu leur puce très performante fondre lorsque toutes les possibilités de calcul étaient activées !
Du point de vue conception, il faut donc maîtriser plusieurs contraintes : le coût (au maximum quelques dollars par puce pour l'électronique de grande diffusion), la consommation (le « power budget » est constant donc il faudra plus de puissance de calcul par watt) et la surface (pour limiter les contraintes de coût, fabrication et conception). Les besoins en calcul vont augmenter de manière plus importante que les performances des processeurs, impliquant le besoin d'implémentations à faible consommation et de plates-formes flexibles où la performance (exprimée en MOPS pour Millions d'opérations par seconde) augmente sans augmenter la puissance dissipée. De plus, la technologie des batteries évolue beaucoup plus lentement que la demande en puissance pour le calcul mobile et les circuits de communication.
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KEYWORDS
power | energy | low power design | temperature
DOI (Digital Object Identifier)
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Pourquoi s'intéresser à la consommation ?4. Conclusion et perspectives
Le problème de la consommation est devenu critique dans les systèmes électroniques et plus particulièrement dans les systèmes embarqués. Comme on a pu le voir, la gestion de la consommation des systèmes est un problème complexe et transverse ; elle nécessite de réaliser régulièrement et dynamiquement des compromis entre performance et dissipation d'énergie. Afin de répondre aux exigences des dernières applications, l'optimisation de la consommation doit être effectuée à chaque niveau de conception. Si ces dernières années, les méthodes aux niveaux logique et physique se sont développées et ont été intégrées dans les outils de CAO du commerce, les méthodes aux niveaux comportemental et architectural nécessitent encore d'importants efforts, d'autant plus que ce sont celles qui sont le plus efficaces. C'est cette tendance actuelle qu'illustre le tableau 14.
Les systèmes embarqués de demain seront ubiquitaires, multi-processeurs et multi-threading, fournissant une variété de services à fort taux de données, à haute fréquence et pouvant se[nbsp ]reconfigurer automatiquement en fonction des besoins en puissance et calcul. Le refroidissement va devenir le facteur limitant de ces circuits d'où l'importance de la gestion de la température, affectant la performance, la puissance, la fiabilité et le coût du système embarqué. Le défi est de conserver une puissance raisonnable, de l'ordre de moins de 0,01 mW/MOPS. Certains réseaux de capteurs à très faible consommation (ultra low power ) devant se recharger par leur environnement (nœuds autonomes) sont limités à 50 μW. Pour répondre à ces contraintes, les gains majeurs attendus dans l'avenir viennent des optimisations de la consommation à haut niveau pour lesquelles les outils de conception sont encore en devenir. Les optimisations au niveau physique concernent plus particulièrement la maîtrise de la puissance statique dans les nouvelles technologies. L'innovation viendra donc des optimisations au niveau comportemental, ce qui passe également par une sensibilisation des concepteurs pour ne plus viser uniquement la performance mais bien plutôt le rendement énergétique en termes de performance/énergie (MOPS/W).
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Conclusion et perspectives
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BELLEUDY (C.) - Architecture multiprocesseur et faible consommation. - École thématique Conception Faible Consommation pour les systèmes embarqués temps réels ECOFAC (2010).
-
(2) - BELLEVILLE (M.) - Challenges in wireless sensor networks. - École thématique Conception Faible Consommation pour les systèmes embarqués temps réels ECOFAC (2010).
-
(3) - BENINI (L.), DE MICHELI (G.) - Dynamic power management, design techniques and CAD tools. - Kluwer Academic Publishers (1998).
-
(4) - BOURDEL (S.), BARTHELEMY (H) - Power gating for UWB systems. - École thématique Conception Faible Consommation pour les systèmes embarqués temps réels ECOFAC (2012).
-
(5) - CATTHOOR (F.), WUYTACK (S.), DE GREEF (E.), BALASA (F.), COURTAY (A.) - Consommation d'énergie dans les interconnexions sur puce : estimation de haut niveau et optimisations architecturales. - Thèse de l'Université de Bretagne Sud (2008).
-
...
ANNEXES
Site ARTIST, Network of Excellence on Embedded Systems Design http://www.artist-embedded.org
Roadmap ITEA, ITEA Roadmap for Software-Intensive Systems and Services edition 3, 2009 https://itea4.org/article/itea-roadmap-for-software-intensive-systems-and-services-edition-3.html
Roadmap ITRS, International Technology Roadmap for Semiconductors, 2012 http://public.itrs.net
Roadmap EDA, European Design Automation roadmap, 2009 http://www.catrene.org/web/communication/publ_eda.php
Site officiel ACPI http://www.acpi.info/
Site Ecofac École thématique Conception Faible Consommation pour les systèmes embarqués temps réels http://ecofac2010.irisa.fr/
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