Énergie dans les puces électroniques - Lab
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Énergie dans les puces électroniques Arnaud Tisserand CNRS, IRISA, équipe-projet CAIRN Fête de la science, octobre 2012 Plan de l’exposé • Technologie des puces électroniques • Grandeurs physiques • Évolution des puces électroniques, exemples de processeurs actuels • Problèmes liés aux grandes consommations d’énergie, cas des grands centres de calcul • Techniques de réduction de l’énergie • Nos activités de recherche autour de ce thème A. Tisserand, CNRS–IRISA-CAIRN. Énergie dans les puces électroniques 2/13 puce plaquette encapsulation découpe silicium fabrication Technologie des puces électroniques boitier Technologies actuelles : 250 à 22 nm Transistor : élément de base cellule Épaisseur d’un cheveu : 40 à 100 µm piste plan du circuit 1m 1 mm 1 µm 1 nm 1 0.001 0.000 001 0.000 000 001 A. Tisserand, CNRS–IRISA-CAIRN. Énergie dans les puces électroniques 3/13 Grandeurs physiques • Temps/durée T (unité : seconde) I • Fréquence F = 1/T (unité : Hertz) U • Tension U (unité : Volt) • Courant I (unité : Ampère) • Puissance P = U × I (unité : Watt) F • Énergie E = P × T (unité : Joule) U 1V 0.6 V 300 MHz I 3A temps F 1 GHz tension 0s temps 1A fréquence P 1s temps 2s courant 3W 0.6 W A. Tisserand, CNRS–IRISA-CAIRN. Énergie dans les puces électroniques puissance E = 3J E = 0.6 J 0s 1s temps 2s 4/13 Évolution des puces électroniques grandeurs unités 1970 1980 1990 technologie nb. transistors fréquence nm Tr Hz 6 000 2 000 100 kHz 1 500 100 000 20 MHz 800 2 000 000 200 MHz vitesse longueur km/h m 10 1m 200 25 cm 2000 13.3 cm grandeurs unités 2000 2010 2020 technologie nb. transistors fréquence nm Tr Hz 180 200 000 000 2 GHz 32 1 000 000 000 3 GHz 15–10 ? ??? 5–10 GHz ? ? ? vitesse longueur km/h m 20 000 3 cm 30 000 5.3 mm ? ? A. Tisserand, CNRS–IRISA-CAIRN. Énergie dans les puces électroniques 5/13 Exemples de processeurs actuels processeur MSP 430 Xeon E7-8870 type micro-contrôleur faible conso. processeur haut de gamme fabricant Texas Instruments Intel données 16 bits 64 bits instructions 1 / cycle 20 / cycle (avec 10 cœurs) fréquence 4 – 24 MHz 2.4 – 2.8 GHz tension 1.8 – 3.6 V 0.6 – 1.3 V puissance 3.5 mW à 10 MHz 130 W c. sommeil 0.5 – 50 µA n.c. prix 1–7e ≈ 3 500 e technologie 250 nm 32 nm A. Tisserand, CNRS–IRISA-CAIRN. Énergie dans les puces électroniques 6/13 Problèmes dans les centres de calcul • Moins de 50 % de l’énergie pour les équipements électroniques • Climatisation, humidification, pertes de conversion, . . . • Coût : en 1 an, l’énergie est plus chère que les serveurs (exemple pour Google : au moins 2 M$ par mois) Source image : J. Cho, T. Lim, B. S. Kim. Energy and Buildings, vol. 41, pp. 1107-1115, 2009 A. Tisserand, CNRS–IRISA-CAIRN. Énergie dans les puces électroniques 7/13 Problèmes liés aux grandes consommations d’énergie • Évacuation de la chaleur • Fiabilité des circuits • Coût • Écologie A. Tisserand, CNRS–IRISA-CAIRN. Énergie dans les puces électroniques 8/13 Techniques de réduction de l’énergie (1/2) Modes de fonctionnement : lent F Pmax max inactif Pfuites lent max P Pfuites Pmax max P changement fréquence temps mise en sommeil réveil A. Tisserand, CNRS–IRISA-CAIRN. Énergie dans les puces électroniques temps 9/13 Techniques de réduction de l’énergie (2/2) Les transitions, ou changements d’état, consomment de l’énergie Calculs ⇒ transitions ⇒ activité 1 A B C I1 solution 1 A0 1 B0 1 (transitions incomplètes) C0 1 solution 2 I2 I1 0 1 S I2 0 1 S0 A B A 10 S B 10 S 10 temps C S temps A B imperfections ⇓ activité parasite Transitions complètes : 0 → 1 / 1 → 0 Réduction : utiliser des bons algorithmes A. Tisserand, CNRS–IRISA-CAIRN. Énergie dans les puces électroniques Réduction : meilleure conception au niveau électronique 10/13 Mais les puces actuelles sont très complexes ! Illustration 3D d’une portion de circuit (source http://www.microwind.net/) : Il faut gérer des milliards de transistors, des fuites, des problèmes de synchronisation, des pannes, des défauts de sécurité. . . A. Tisserand, CNRS–IRISA-CAIRN. Énergie dans les puces électroniques 11/13 Nos activités de recherche autour de ce thème • circuits électroniques : processeurs, accélérateurs de calcul, . . . • communications sans fil • réseaux de capteurs intelligents • récupération d’énergie • algorithmes de calcul et représentations des nombres A. Tisserand, CNRS–IRISA-CAIRN. Énergie dans les puces électroniques 12/13 Fin, des questions ? Contact: • mailto:[email protected] • http://people.irisa.fr/Arnaud.Tisserand/ • Equipe-projet CAIRN http://www.irisa.fr/cairn/ • Laboratoire IRISA, CNRS–INRIA–Univ. Rennes 1 6 rue Kerampont, CS 80518, F-22305 Lannion cedex, France Merci A. Tisserand, CNRS–IRISA-CAIRN. Énergie dans les puces électroniques 13/13
![D M 1 1 M 3 DM11 • Cuvette parabolique [CCP 99]](http://s1.studylibfr.com/store/data/007350619_1-9c5c86e80226b3613f619fa939e7a473-300x300.png)
