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Synthèse de haut-niveau de contrôleurs ultra-faible consommation ...

Synthèse de haut-niveau de contrôleurs ultra-faible consommation ...

tel-00553143, version 1

tel-00553143, version 1 - 6 Jan 2011 4 Résumé étendu leur contrainte majeure de conception. De plus, sachant que les nœuds sont inactifs ou en attente pendant la majeure partie de leur durée de vie (rapport cyclique de fonctionnement inférieur à 1%), l’énergie induite par les pertes statiques des composants (courants de fuite) doit être plus particulièrement réduite. Si le profil de consommation d’un nœud de capteur est analysé sur l’ensemble de ses sous-systèmes, les blocs de communication et de calcul représentent bien sur la majeure partie du budget énergétique [116, 30]. Dans ce travail de thèse, nous ciblons par conséquent l’optimisation de la consommation des sous-systèmes de contrôle et de calcul. En effet, nous soutenons que les gains en énergie ou en puissance obtenus par notre approche sur ces blocs ouvrent des possibilités vers des protocoles de communication ou schémas de modulation plus complexes et plus coûteux en termes de puissance de calcul, ce qui, au final, permettra de fournir une meilleure qualité de service, une puissance radio plus faible et une meilleure efficacité d’utilisation de la bande passante du réseau. La réduction de puissance des sous-systèmes de contrôle et de calcul peut bénéficier d’optimisations à différents niveaux de conception du dispositif, tels que le niveau application, la micro-architecture ou le niveau de conception de circuits VLSI (Very Large Scale Integrated). Dans les paragraphes suivants, nous présentons et discutons les techniques de réduction de la consommation adaptées au domaine des réseaux de capteurs i.e. microarchitecture et conception VLSI. 0.2 Optimisation de puissance d’un nœud de capteur Depuis un peu plus d’une décennie, les problèmes d’estimation de réduction de la consommation électrique dans les circuits VLSI sont l’objet d’un grand nombre de travaux de recherche. Une grand partie de ces travaux se sont notamment intéressés à la conception de microarchitectures faible consommation pour microcontrôleurs embarqués. Cette section a pour objectif d’offrir au lecteur une synthèse des techniques utilisées dans ce domaine. 0.2.1 Conception VLSI orientée faible consommation La consommation électrique dans un circuit VLSI découle de deux phénomènes: la puissance dynamique, provoquée par les charges et décharges des capacités (découlant des changements d’états du circuit) et la puissance statique causée par les courants de fuites entre la tension d’alimentation et la masse. Quand un circuit est en mode actif, la puissance qu’il dissipe est très largement dominée par sa composante dynamique, et peut-être considérée comme étant approximativement proportionnelle à sa fréquence d’horloge. Pour les réseaux de capteurs, les choses sont assez différentes car les nœuds peuvent rester inactifs pendant de longue périodes (taux d’activité souvent inférieur à 1%). Dans ce contexte, il n’est plus raisonnable d’ignorer la contribution de la puissance statique dans le bilan énergétique global. Il existe de nombreuses techniques permettant de réduire la puissance dynamique dans un circuit (clock gating, contrôle de la tension d’alimentation, etc.), celles-ci pou

tel-00553143, version 1 - 6 Jan 2011 Optimisation de puissance d’un nœud de capteur 5 VG VVDD Block A VDD VVDD VVDD Block B Block C Figure 2: Un exemple d’utilisation du power gating. vant être appliquées à différents étapes du flot de conception. La plupart d’entre elles sont cependant peu adaptées au contexte des réseaux de capteurs car elles ont souvent pour effet secondaire d’augmenter le nombre de transistors du circuit, augmentant ainsi indirectement sa puissance statique, avec un bilan global pouvant de fait devenir négatif. La technique de la coupure des alimentations – ou power gating –, dont le principe consiste à couper l’alimentation d’un composant inactif [12, 87], est toutefois une exception à cette règle. Le power gating, si utilisé à bon escient, permet donc de réduire de fait à la fois la puissance dynamique et la puissance statique, ce qui en fait une technique particulièrement attrayante pour des circuits dont les périodes d’activité sont limitées. La technique consiste à ajouter un sleep transistor entre la source d’alimentation VDD globale et celle du composant, créant ainsi une alimentation virtuelle notée VV DD, comme illustré sur la figure 2. Ce sleep transistor, lorsqu’il est ouvert, permet de réduire les courants de fuites du composant à leurs niveaux minimums 0.2.2 Microcontrôleurs faible consommation Les microcontrôleurs à très faible consommation actuellement disponibles sur le marché (e.g. MSP430, CoolRISC and ATmega128L) partagent de très nombreuses caractéristiques : un chemin de données simple (8/16-bits), un faible nombre d’instructions (seulement 27 instructions pour le MSP430), et surtout de nombreux modes de fonctionnement qui permettent d’adapter dynamiquement le comportement du processeur en jouant sur des compromis entre gain en consommation et réactivité. Ces processeurs sont conçus pour une gamme d’application assez large et ne sont donc pas spécifiquement conçus pour des réseaux de capteurs. De fait, parce qu’il sont conçus sur la base d’un micro-architecture généraliste et monolithique, ils ne sont pas forcement bien adaptés à la nature très particulière (basée événements) de la charge de calcul de ces nœuds. La plupart des plateformes matérielles utilisées dans des infrastructures de réseaux de capteurs utilisent des processeurs commerciaux de ce type. Par exemple, la plate

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