Énergie et puissance dans les systèmes embarqués

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.