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THÈSE
présentée
devant l’Ecole Normale Supérieure de Lyon
pour obtenir
le grade de : Docteur de l’École Normale Supérieure de Lyon
Mention Informatique
par
Philippe Grosse
Équipe d’accueil :CEA/Léti Equipe - IAN
École Doctorale : MathInf
Composante universitaire : LIP
Titre de la thèse :
Gestion dynamique des tâches
dans une architecture micro-électronique intégrée
à des fins de basse consommation
À soutenir le 17 Décembre 2007 devant la commission d’examen
MM. : Daniel Etiemble Rapporteurs
Fredéric Petrot
MM. : Yves Durand Examinateurs
Jean Michel Muller
Christian Piguet
Paul Feautrier

Table des matières
Table des matières 1
Remerciements 1
Introduction 3
1 Gestion de la consommation dans les systèmes embarqués : motiva-
tions et méthodes d’optimisation 9
1.1 La consommation dans les architectures électroniques : principes . . . . 10
1.1.1 Puissance dynamique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.1.2 Puissance statique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.1.3 Enjeux de la gestion de la consommation dans les SoCs . . . . . 14
1.1.4 Énergie et systèmes embarqués . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.2 Etat de l’art des techniques d’évaluation et d’optimisation de la consom-
mation..................................... 15
1.2.1 Évaluation et gestion de la consommation au niveau "transistor" 15
1.2.2 Évaluation et gestion de la consommation au niveau "RTL" . . . 18
1.2.3 Évaluation et gestion de la consommation au niveau "système" . 23
1.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2 Contexte des travaux : la plate forme de télécommunication sans fil
FAUST 39
2.1 Les transmissions sans fil et leurs évolutions . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.1.1 Présentation des standards de télécommunication sans fil les plus
usités ................................. 40
2.1.2 Les évolutions attendues des télécommunications sans fil . . . . . 42
2.2 Les protocoles de télécommunication sans fil étudiés dans le cadre de
FAUST .................................... 43
1

2Table des matières
2.2.1 Présentation des chaînes MATRICE et 4MORE . . . . . . . . . . 43
2.3 Le circuit FAUST : un outil de prototypage des applications de 4G sans fil 53
2.3.1 Présentation générale de l’architecture FAUST . . . . . . . . . . 54
2.4 La consommation électrique d’une architecture de modem bande de base
de 4ème génération . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.4.1 Enjeux en terme de consommation . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.4.2 Réduction de la consommation dans un circuit bande de base 4G 60
2.4.3 Problématique de gestion haut niveau de la consommation . . . . 62
2.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3 Modélisation de la consommation d’un circuit complexe basé sur un
réseau sur puce 65
3.1 Objectifs de nos travaux de modélisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.1.1 Outils d’évaluation de la consommation existants . . . . . . . . . 67
3.2 Méthodologie et outils associés à la modélisation énergétique de l’archi-
tecture FAUST . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.2.1 Méthodologie de modélisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.2.2 Utilisation de Prime Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.2.3 Ptolemy : une plate-forme de modélisation adaptée aux systèmes
embarqués . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.3 Réalisation du modèle en consommation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.3.1 Modélisation des unités fonctionnelles . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.3.2 Modélisation du réseau sur puce . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.3.3 CPU et mémoires intégrées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.3.4 Assemblage final et choix des "directeurs" . . . . . . . . . . . . . 77
3.3.5 Validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.4 Utilisation de notre modèle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.4.1 Résultats des optimisations système et optimisations bas-niveau . 81
3.4.2 Résultats des optimisations systèmes et nouvelles technologies si-
licium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4 Optimisation système de la consommation d’une architecture de té-
lécommunication sans fil 4ème génération 87
4.1 Objectifs et méthodologie mis en oeuvre . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.1.1 Une politique optimale de DVS/DFS sur une architecture data-
driven . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.1.2 Contrôle décentralisé et respect des contraintes temps réel . . . . 89
4.1.3 Méthodologie adoptée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.2 Modélisation et optimisation "Pipe-Line" . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

3
4.2.1 Modélisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.2.2 Optimisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.2.3 Résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.3 Modélisation et optimisation basée sur un SDFG . . . . . . . . . . . . . 101
4.3.1 Modélisation de la puissance dissipée . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.3.2 Application à FAUST . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.3.3 Résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
4.4 Optimisation “linéaire” de la consommation . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4.4.1 Expression des contraintes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
4.4.2 Expression de la fonction objective : la consommation du circuit 114
4.4.3 Résolution et amélioration de la solution . . . . . . . . . . . . . . 115
4.4.4 Implémentation et résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
4.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
5 Synthèse et étude de cas 121
5.1 Évolution des technologies silicium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
5.2 Pertinence de notre solution de voltage scaling en fonction de l’évolution
des technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
5.3 Influence de la consommation des Rams embarquées . . . . . . . . . . . 124
5.4 Influence des modifications architecturales . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
5.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
Glossaire 137
Bibliographie 139
Table des figures 145