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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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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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1. Pourquoi s'intéresser à la consommation ?
Un système embarqué peut être défini comme un système électronique et informatique autonome, qui est dédié à une tâche bien précise. Ses ressources disponibles sont généralement limitées. Cette limitation est généralement d'ordre spatial (taille limitée) et énergétique (consommation restreinte). La consommation s'impose donc comme une nouvelle contrainte de conception pour les systèmes embarqués.
1.1 Évolution des circuits
La figure 1 montre la gamme de puissance de différents systèmes électroniques, qui peut aller du nano-watt à la centaine de watts. Il est évident que suivant les domaines, les stratégies mises en œuvre pourront varier.
HAUT DE PAGE1.1.1 Évolution des applications embarquées
L'évolution des technologies silicium permettant une diminution constante des dimensions physiques des transistors, de plus en plus de fonctionnalités peuvent être implantées sur une unique puce. On parle alors d'un système sur puce ou System on Chip (SoC) ou de système multiprocesseur sur puce (MPSoC pour MultiProcessor System on Chip ). Un SoC est constitué de trois éléments essentiels : des ressources de calcul, des ressources de mémorisation et des ressources d'interconnexion. Un System in Package ou SiP est la combinaison de différents composants assemblés dans un système ou sous-système intégrant des composants hétérogènes (MEM, composants optiques…).
Les domaines d'application des systèmes embarqués comme le multimédia (image/parole) ou les télécommunications, requièrent des puissances de calcul de plus en plus importantes. Les systèmes conçus pour ces applications doivent donc suivre cette complexité en intégrant des fonctionnalités de plus en plus hétérogènes et complexes. Les architectures micro-électroniques conçues pour ces domaines d'application sont très complexes, avec plusieurs dizaines de millions de portes, et doivent répondre aux contraintes énergétiques induites par un environnement mobile. La consommation des puces sans fil est notamment devenue un enjeu crucial et un argument commercial essentiel dans ce marché. Le tableau ...
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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).
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...
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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