puissance et énergie

1
Architectures matérielles, puissance et énergie
Daniel Etiemble
[email protected]
M1 Informatique
2007-2008
Architectures avancées
D. Etiemble
2
Densité de puissance
Watts/cm
2
1
10
100
1000
1.5µ
1.5µ1.5µ
1.5µ 1µ
1µ1µ
1µ 0.7µ
0.7µ0.7µ
0.7µ 0.5µ
0.5µ0.5µ
0.5µ 0.35µ
0.35µ0.35µ
0.35µ 0.25µ
0.25µ0.25µ
0.25µ 0.18µ
0.18µ0.18µ
0.18µ 0.13µ
0.13µ0.13µ
0.13µ 0.1µ
0.1µ0.1µ
0.1µ 0.07µ
0.07µ0.07µ
0.07µ
i386
i386
i486
i486
Pentium
Pentium® ®
Pentium
Pentium® ®Pro Pro
Pentium
Pentium® ®II II
Pentium
Pentium® ®III III
Hot plate
Hot plate
Nuclear Reactor
Nuclear
Nuclear Reactor Reactor
*
* “ “New Microarchitecture Challenges in the Coming Generations of CM New Microarchitecture Challenges in the Coming Generations of CMOS Process Technologies OS Process Technologies” ”– –
Fred Pollack, Intel Corp. Micro32 conference key note
Fred Pollack, Intel Corp. Micro32 conference key note - -1999. 1999.
Pentium
Pentium® ®4 4
Rocket
Nozzle

2
M1 Informatique
2007-2008
Architectures avancées
D. Etiemble
3
Le spectre d’implémentation
– ASIC
• Haute performance – dédié à l’application
• Non modifiable
– Processeur
• Programmable
• Non dédié à l’application
– Matériel reconfigurable
• Bon compromis
Microprocesseur Matériel
Reconfigurable
ASIC
M1 Informatique
2007-2008
Architectures avancées
D. Etiemble
4
Le conflit énergie/flexibilité
Technologie
[H. de Man, Keynote, DATE‘02;
T. Claasen, ISSCC99]
Opérations/Watt
[MOps/mW]
Processeurs
Circuits/systèmesreconfigurables
ASIC
1
0.1
0.01
0.13µ
Nécessiter d’optimiser
Nécessiter d’optimiser
0.07µ
DSP-ASIPs
µPs
10
0.25µ0.5µ1.0µ

3
M1 Informatique
2007-2008
Architectures avancées
D. Etiemble
5
• Au début (RCA
1962) la grille était
en Aluminium d'où le
nom MOS :
Métal/Oxyde/Semi-
conducteur
• Le MOS est
parfaitement
symétrique et on
appelle SOURCE
(d'électrons) le coté
le plus négatif (le
plus positif pour les
PMos)
• Le substrat est mis à
la masse (à V
dd
pour
les PMOS)
Source
S
Drain
D
Grille G
S D
substrat (bulk)
Grille
Oxyde
Semiconducteur
(Si O )
2
Silicium dopé
La technologie MOS
M1 Informatique
2007-2008
Architectures avancées
D. Etiemble
6
poly
oxyde
poly
oxyde
substrat
oxyde
diffusion
substrat
diffusion
métal (aluminium)
contacts
Un circuit intégré est une superposition de couches, semi-conductrices, conductrices ou isolante
Si O
2
Coupe d’un transistor

4
M1 Informatique
2007-2008
Architectures avancées
D. Etiemble
7
Equations (simplifiées) du transistor MOS
n
+
n
+L
(p)
S G D
n
+
n
+
e
W
L
(p)
2
2
Si 0, mode bloqué : 0
Si 0 < , mode linéaire
(2( ) )
2
Si 0 < , mode saturé
( )
2
gs t ds
ds gs t
ds gs t ds ds
gs t ds
ds gs t
V V I
V V V
Cox W
I µ V V V V
L
V V V
Cox W
I µ V V
L
− < =
< −
= − −
− <
= −
M1 Informatique
2007-2008
Architectures avancées
D. Etiemble
8
n
p
0 V
I
p
I
n
C
L
Entrée
V
dd
Sortie
0
V
c
V
dd
Entrée
Sortie
T
d
Somme des
capacités parasites
l'inverseur est un générateur de
courant déclenché par le passage du
seuil
T
m
Modélisation du comportement dynamique
L
d c
satn
L
m c
satp
C
T V
I
C
T V
I
=
=

5
M1 Informatique
2007-2008
Architectures avancées
D. Etiemble
9
•Consommation d’énergie
– Quand une capacité est chargée ou déchargée
– Une capacité chargée est un 1 logique, déchargée est un 0 logique
• Les capacités peuvent être les grilles d’autres transistors ou des fils
(bus et interconnexion longues)
E S
0
01 1
0
0
1
1
E=CV
E=CV
2
2
Consommation d’énergie
M1 Informatique
2007-2008
Architectures avancées
D. Etiemble
10
• Des effets secondaires comme les courants de fuite et de court-circuits augmentent
avec les technologies modernes
• Les fuites augmentent considérablement avec les technologies modernes
IN OUT
1/2
1/2
IN OUT
0
01 1
Fuites
Fuites
(sub
(sub- -threshold threshold) )
Court
Court- -circuit circuit
Consommation d’énergie