par Laurent Hennequin

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L’EMBARQUÉ / N°2 / 35
Cartes et modules  Application
Laurent
Hennequin,
Ingénieur
d’application,
responsable
produit
Embarqué
chez Tokhatec.
Alliance performance/efficacité
énergétique chez les derniers
processeurs Core d’Intel
Intel vient de lancer la 4e génération des processeurs Intel Core, les « Haswell ».
Avec à la clé des améliorations importantes au niveau de la vectorisation, des calculs
en virgule flottante et des performances graphiques. Mais avec une consommation
qui demeure un peu plus élevée que ses devanciers, sans pour autant sacrifier l’efficacité
énergétique. Une caractéristique à prendre en compte pour les cartes et modules
à base d’Haswell, comme l’explique ici Congatec.
A
vec l’arrivée de la 4e géné-
ration des processeurs de
sa série Core, Intel est
resté fidèle à son modèle
« tick-tock » d’introduction de proces-
seurs. Une approche liée aux
annonces successives faites par le
géant américain pour introduire ses
CPU, l’une portant sur la mise en
œuvre d’une technologie de gravure,
c’est le « tick », puis l’autre amenant
une nouvelle architecture sur le mar-
ché, un an plus tard, c’est le « tock ».
L’introduction récente des proces-
seurs Haswell est donc un « tock »,
car il porte sur le développement et
l’optimisation d’une architecture, en
particulier au niveau du microcode,
alors que la technologie de gravure
utilisée, le 22 nm, est la même que la
génération précédente, celle des Ivy
Bridge. La prochaine génération verra
donc les processeurs Haswell fabri-
qués en technologie 14 nm, ce sera
un « tick ».
A long terme, un des traits marquants
de cette nouvelle architecture est
qu’elle va apporter des gains d’effi-
cacité, pouvant aller jusqu’à 10 %.
Toutefois, il faudra un certain temps
avant que le firmware, les compila-
teurs, les systèmes d’exploitation et
les applications puissent utiliser tous
les avantages de cette nouvelle géné-
ration de processeurs. En fait, sur ce
sujet de la consommation, avec les
Haswell, on peut parler d’une évolu-
tion plus que d’une révolution,
contrairement à l’introduction de son
prédécesseur qui a conduit à une
réduction significative de la dissipa-
tion énergétique grâce à la technolo-
gie de fabrication mise en œuvre (le
22 nm).
Dans les systèmes embarqués, ces
gains d’efficacité énergétique sont
principalement utilisés pour aug-
menter les performances. C’est par-
ticulièrement évident si l’on regarde
la partie graphique des Core de
4e génération qui procure des perfor-
mances nettement plus importantes
que ses devancières mais avec une
consommation électrique légère-
ment plus élevée, au moins à pleine
charge. Si bien que, grâce à des uni-
tés de régulation de tension nouvel-
lement intégrées, l’enveloppe ther-
mique des Haswell (le TDP, Thermal
Design Power) spécifiée par Intel
augmente légèrement, au moins
pour la première série de processeurs
quatre cœurs embarqués qui fournit
un TDP de 47 W pour le Core
i7-4700EQ, à comparer aux 45 W
pour ses prédécesseurs. La fréquence
d’horloge maximale du système – via
la fonction Turbo Boost des cœurs et
du graphique – est à peu près la
même que pour les modèles précé-
dents, tandis que la fréquence d'hor-
loge de base – sans la fonction Turbo
Boost – est un peu plus faible.
Des performances
très élevées…
Etant donné que ces valeurs de TDP
sont des moyennes pondérées et non
des valeurs maximales, l’augmenta-
tion de la consommation d’énergie
est susceptible d’être encore plus
significative lors du fonctionnement
à puissance maximale. Une consta-
tation qui exige des concepts d’éva-
cuation de la chaleur dissipée plus
sophistiqués que par le passé,
comme par exemple la solution de
refroidissement à caloduc brevetée
de l’allemand Congatec (dont les
solutions sont mise en œuvre en
France par Tokhatec). Une approche
qui permet, d’une part, de garantir
que la performance de pointe peut
effectivement être utilisée et, d’autre
part, d’empêcher le circuit de protec-
tion d’abaisser les performances du
processeur en raison d’une sur-
chauffe (fonction dite de « downclo-
cking »). D’autant plus que, sur ces
architectures, Intel a réduit la tempé-
rature de surface maximale admis-
sible de 105 à 100 degrés Celsius.
AUTEUR
TOKHATEC, UN SPÉCIALISTE FRANÇAIS DES SYSTÈMES
À BASE DE COMPUTER ON MODULE
n Capable de fournir modules,
porteuses et systèmes mais
aussi le support associé, la société
française Tokhatec propose
une offre de produits et ser-
vices adaptée aux contraintes
techniques et économiques
du marché de l’embarqué, son
domaine d’intervention. Depuis
sa création, Tokhatec, partenaire
privilégié du fabricant allemand de
cartes et modules Congatec, s’est
développée en mettant l’accent
sur la maîtrise technique de ses
équipes. Ainsi, ses clients intègrent
les dernières technologies de
l’embarqué dans leurs propres so-
lutions pour les rendre évolutives,
en adéquation avec les besoins de
leurs marchés.
Via cette stratégie de services
tournée vers les grands comptes,
Tokhatec déploie en priorité des
solutions à base de Computer
On Module dans des projets
stratégiques initiés par de grands
groupes industriels français.

36 / L’EMBARQUÉ / N°2
Application  Cartes et modules
La nouveauté la plus intéressante des
processeurs Core de 4e génération est
sans doute l’introduction de l’unité
vectorielle AVX2, qui remplace
l’AVX (Advanced Vector Extensions),
lui-même successeur du SSE (Strea-
ming SIMD Extensions). AVX a déjà
été utilisé à la place du SSE dans la
dernière génération des processeurs
Intel pour améliorer les perfor-
mances des calculs en virgule flot-
tante via l’extension du jeux d’ins-
tructions vectorielles, porté de 128 à
256 bits, et via la fourniture de tam-
pons plus puissants, en particulier un
tampon de réordonnancement plus
grand. Au sein des architectures
Haswell, Intel a décidé d’aller plus
loin en augmentant la taille des tam-
pons, en ajoutant une ALU supplé-
mentaire (Arithmetic Logic Unit,
Unité arithmétique et logique) pour
les entiers et en intégrant une deu-
xième unité de branchement à l’unité
d’exécution. Au-delà, ces proces-
seurs sont dotés d’un jeu d’instruc-
tions étendu avec un FMA (Fused
Multiple Add) et un TSX (Transactio-
nal Synchronization Extension).
Résultat, une instruction vectorielle
unitaire atteint deux fois la puissance
de calcul des modèles précédents,
une évolution très visible lorsque
l’on aborde des grands calculs en
virgule fixes et flottantes.
Pas tout à fait nouveau, mais plus que
jamais d’actualité pour les applica-
tions courantes en raison des
contraintes de sécurité qui pèsent de
plus en plus sur les systèmes embar-
qués actuels, très connectés vers
l’extérieur, est le bloc de cryptogra-
phie qu’Intel a intégré au niveau
matériel. L’AES-NI (Advanced
Encryption Standard New Instruc-
tion), c’est son nom, assure le
déchargement de paquets de calculs
spécifiques intensifs et le cryptage
des routines de l’algorithme crypto-
graphique AES (Advanced Encryp-
tion Standard). Une approche qui
permet un chiffrement de très haute
performance sans surcharger les
cœurs du processeur.
D’autres améliorations sont à noter,
notamment celles liées à la gestion
d'énergie – un point clé pour de
nombreux concepteurs de systèmes
embarqués, car c’est le seul moyen
de maîtriser une valeur de consom-
mation basse tout en augmentant les
performances. Enfin, notons que
l’unité graphique intégrée prend en
charge les dernières versions des spé-
cifications DirectX (11.1), OpenGL
(4.0) et OpenCL (1.2) avec une réso-
lution native 4K x 2K (jusqu’à
3 840 x 2160 pixels avec le Display-
Port et 4 096 x 2 304 pixels avec le
HDMI). Par ailleurs, un nouveau
codec multi-format fait son appari-
tion, avec la prise en charge du SVC
(Scalable Video Coding) en plus des
MPEG-1, -2, -4, AVC, et VC1.
Des caractéristiques
surdimensionnées
pour l’embarqué ?
Ces performances de pointe peuvent
paraître à première vue peu intéres-
santes pour l’embarqué. Pourtant à y
regarder de près, chacune des ces
évolutions correspond à une ten-
dance forte des systèmes embarqués.
Par exemple, avec l’arrivée des ser-
vices de type cloud, le chiffrement
est une fonction de plus en plus
importante pour les systèmes embar-
qués intelligents et connectés. Ainsi
le « Full Disk and Endpoint Encryp-
tion » est devenu un standard pour
SCHÉMA DE LA CARTE CONGA-TS87
UN MODULE COM EXPRESS TRÈS COMMUNICANT
n Le module COM Express conga-
TS87 de Congatec est actuellement
équipé avec le chipset QM87
Express d’Intel. Le module
offre jusqu'à 16 Go de mémoire
(1 600 MT/s fast LV 1,35 V double
canal en mémoire DDR3). L'unité
graphique intégrée est nettement
plus puissante que dans les modèles
précédents. Elle supporte les
normes Flexible Display Interface
(FDI), DirectX 11.1, OpenGL 4 et
OpenCL 1.2, et le décodage matériel
exible avec décodage en parallèle
de plusieurs vidéos Full HD haute
résolution.
Des résolutions de 4K x 2K allant
jusqu'à 3 840 x 2 160 pixels avec
le DisplayPort, et 4 096 x 2 304
avec la sortie HDMI sont aussi
supportées nativement. Il est
également possible de connecter
jusqu'à trois interfaces d’afchage
indépendant via le DVI ainsi que
le LVDS et le VGA. Un support USB
3.0 natif garantit une transmission
rapide des données avec un faible
niveau de consommation.
Huit ports USB sont prévus, dont
quatre peuvent soutenir la norme
SuperSpeed USB 3.0.
Sept lignes PCI Express 2.0,
un PCI Express 3.0 x16 graphique
pour cartes graphiques externes,
quatre ports SATA jusqu'à 6 Gbit/s
supportant la fonction RAID,
et une interface Ethernet Gigabit
forment la partie communication.
Contrôle du ventilateur, bus LPC
pour une intégration facile des
interfaces E/SE « Legacy » et
« Intel High Denition Audio »
complètent l'ensemble des fonction-
nalités.
● Le module COM Express conga-TS87 de Congatec
est une carte COM Express Type 6 architecturée autour
de la 4e génération des processeurs Core i7 d’Intel.

L’EMBARQUÉ / N°2 / 37
Cartes et modules  Application
tous les systèmes mobiles contenant
des données sensibles. Et il est tout
simplement indispensable pour les
SSD (Solid State Disks) au sein des-
quels il est virtuellement impossible
d’effacer complètement les données,
contrairement aux disques durs.
Télémaintenance, stockage des don-
nées dans le cloud ou communica-
tion avec d’autres systèmes et/ou des
partenaires externes… Dans tous ces
cas de figure, ne pas crypter les don-
nées est une négligence très grave,
voire inconcevable. Dans d’autres
applications comme la compression
des données ou la sauvegarde, la
cryptographie est carrément l’élé-
ment clé qui garantit l’intégrité d’une
base de données. La technologie
AES-NI qui remplit cette fonction est
déjà supportée par la plupart des sys-
tèmes d’exploitation et de nom-
breuses applications. Qu’Intel l’in-
tègre au niveau matériel au sein des
processeurs Haswell fait que désor-
mais les petits systèmes embarqués
pourront bénéficier d’une cryptogra-
phie puissante et sécurisée, sans
sacrifier les performances lors de
l’application. C’est une évolution très
importante.
Parallèlement, Intel a joué très clai-
rement sur l’augmentation des per-
formances pures, avec notamment
l’extension des jeux d’instructions et
de l’unité de calcul vectoriel, dont
les prouesses ont plus que doublé
par rapport aux générations anté-
rieures. Ici, les applications embar-
quées qui bénéficient de ces carac-
téristiques sont les systèmes de calcul
intensif, utilisés en simulation et en
traitement d’images, dans des équi-
pements de tomographie, des radars
ou des systèmes d’inspection
optique.
Alternativement ou en complément,
les unités intégrées de processeurs
graphiques peuvent désormais être
utilisées via le langage OpenCL, et
le support 4K x 2K avec le nouveau
codeur variable ouvre la voie aux
applications embarquées multimé-
dias ou de jeux.
Côté technologie de fabrication, on
l’a vu, les Haswell continuent de
s’appuyer sur le 22 nm pour l’écono-
miseur d’énergie mis en place avec
la 3e génération. Les contrôleurs gra-
phiques GT2 intégrés des proces-
seurs embarqués actuels sont cepen-
dant équipés d'unités d'exécution
supplémentaires (16 à l’heure
actuelle, 20 pré-
vues plus tard). Le chipset embarqué
standard se compose donc de deux
éléments comme avant. Les nou-
velles fonctionnalités portent surtout
sur des régulateurs de tension inté-
grés, dont l’objectif est de réduire le
coût du processeur et de dégager de
l’espace pour de futures évolutions.
Avec comme contrepartie, une dis-
sipation de puissance accrue, com-
pensée cependant, au moins partiel-
lement, par une meilleure efficacité.
Ainsi, avec un TDP de 47 W spécifié,
le modèle haut de gamme Core
i7-4700EQ atteint clairement des
niveaux critiques pour les systèmes
embarqués sans ventilateur. Un sys-
tème de refroidissement haute per-
formance est donc devenu presque
indispensable pour cette génération
de processeur. En raison justement
du régulateur de tension interne qui
impose une réduction des niveaux
de températures maximales autori-
sées et la limitation des points
chauds associés. Si bien qu’en sus
d’un refroidissement efficace, un dif-
fuseur thermique de chaleur et une
dissipation thermique rapide sont
essentiels. Un objectif toutefois diffi-
cile à réaliser sans la mise en œuvre
de technologies complexes comme
les caloducs et les grandes surfaces
de refroidissement.
Première implémentation
sur carte COM
Le module au standard COM
Express Type 6 conga-TS87
de Congatec cherche à tirer
pleinement parti du
contrôleur graphique
intégré avec des inter-
faces numériques
étendues d'affi-
chage, des bandes
passantes élevées avec
les liens USB 3.0, PCI 3.0 et PCI
Express. Ce module architecturé
autour du Core i7-4700EQ à quatre
cœurs, doté de 6 Mo de mémoire
cache L2, peut être alimenté par les
quatre cœurs cadencés à 2,4 GHz
avec une enveloppe thermique de
47 W. En mode « turbo boost », la
fréquence d’horloge atteint 3,4 GHz
et, si le processeur commence à être
en surchauffe, le mode « downclo-
cked » est activé. Il est clair avec ce
type de fonctionnement qu’une solu-
tion de refroidissement efficace avec
une dissipation rapide de la chaleur
peut augmenter de façon significa-
tive la performance globale.
Or, dans les systèmes embarqués
compacts, il n’y a pas de moyen
simple de dissiper un TDP de 47 W.
La solution proposée par Congatec
(brevet en instance de validation)
porte sur un concep de refroidisse-
ment modulaire. Les coupleurs ther-
miques indépendants, chacun
équipé de leur propre caloduc, dis-
sipent la chaleur du CPU et du chip-
set loin des composants vers un bloc
dissipateur thermique spécifique. De
là, la chaleur est ensuite évacuée
directement dans l’air
ambiant à des niveaux infé-
rieurs d’une puissance d’en-
viron 37 W et dans des condi-
tions normales de
refroidissement au moyen
d’un dissipateur de chaleur
intégré. Pour les plus grands
TDP et dans la gamme de
températures étendue, le dis-
sipateur thermique peut être
monté directement sur un
boîtier métallique ou sur un
dispositif approprié. n
● On voit ici
une carte
porteuse de
développement,
intégrant
la carte COM
Express Type 6
conga-TS87.
● On voit ici
les différents
composants
de la solution
du système de
refroidissement
breveté par
Congatec.