Quelle est la limite d'un système embarqué ?

Il y a trois grandes classes de systèmes informatiques :

  • Ordinateurs personnels ( ordinateur de bureau et portable).
  • Serveur de calcul ou de stockage ( Supercomputer et Data centers)
  • Les systèmes embarqués

Ces trois types de systèmes ont des puissances différente et répondent à a des besoins différents. Voici un tableau récapitulatif des différences :

 
Ordinateurs personnels Serveur Système embarqué
Prix du processeur 100-1000 $ par unité 200-2000 $ par unité 0.1-200 $ par unité
Vente mondiale 300 millions 10 millions 15 milliards
Critère Rapport prix/perfomance important et application graphique. Performance, débit, disponibilité Prix, consommation, performance pour la tâche voulue

Les processeurs ont connus beaucoup d’amélioration depuis leurs création.

Ceci est lié à de nombreux facteurs :

  • Augmentation du nombre de transistor
  • Augmentation de la vitesse de circulation des données dans un circuit
  • Amélioration architecturale des sytèmes
  • Amélioration logiciel ( des compilateurs notamment)

Le marché à toujours besoin de processeurs de plus en plus puissant. C’est pour cela que le nombre de vente restent croissant avec l’augmentation de la puissance des processeurs. En réalité, le besoin en puissance est plus important que la puissance disponible.

Il se peut néanmois que la puissance d’un processeur dépasse le besoin actuel. Dans ce cas là on va créer des applications qui nécessite toute cette puissance afin d’offrire de nouvelle possibilité à l’utilisateur.

En ce qui concerne les sytèmes embarqués, les processeurs embarqués sont toujours plus puissant due aux logiciels embarqués qui sont de plus en plus gourmant, notamment dans les avions,  le spatial et l’automobile.

Néanmoins l’obsolescence d’un processeur est très rapide , 18 mois environ :

  • 1-3 mois : Introduction du nouveau processeur
  • 3-6 mois : Vente croissante jusqu’au pic
  • 6-9 mois : Début de la perte de vente
  • 9-15 mois : Vente beaucoup moins importante
  • 15-18 mois : début de l’obsolescence

En conclusion, il faut être le plus rapide à lancer son processeur sur le marché et une attente peut faire perdre des ventes.

Les lois liée aux systèmes embarqués

Loi de Moore

Les lois de Moore sont des lois sur l’évolution de la puissance de calcul des ordinateurs et de la complexité du matériel informatique.

Il y a deux lois de moore :

  1. Il y a un doublement de la complexité des semi-conducteurs tous les ans à coût constant.
  2. Il y a doublement du nombre de transistors présents sur une puce de microprocesseur tous les deux ans.

En ce qui concerne les mémoires, l’augmentation est similaire, mais se réduit :

  • X4 tous les 3 ans dans les années 1990
  • x2 tous les ans dans les années 2000
  • x2 tous les 2 à 3 ans actuellement

Aujourd’hui on a quelque limites physique pour la loi de Moore soit vérifié : Problème de gravure, de fiabilité et limité de l’effet transistor en dessous de 2 nm.

 

Loi de Rock

Le coût d’une usine de fabrication de semi-conducteur double tous les 4 ans.

En 2003, une usine coutait 2 à 3 milliards de dollars.

Tendance de la technologie

Jusque que dans les années 2000 il y a avait une augmentation systématique des performances de 50% par an. Il suffisait d’attendre les améliorations technologiques pour avoir un programme plus rapide.

L’amélioration technologique permet l’amélioration des performances :

  • En augmentant la fréquence des processeurs grâce à des transistors plus petits
  • En améliorant les architectures des processeurs  :
    – Ajout de pipeline,
    – Parallélisme des instructions
    – Bus de données plus important : 8 bits,16 bits, 32, 64
    – ajout de caches L1, puis L2, et L3 dans les processeurs

Néanmoins la tendance technologique peut-être freiné par des limitations que l’on va voir dans la partie suivante.

Les limites physique liées aux systèmes embarqués

Les systèmes embarqués font face à différente limitation technologique :

  • Limitation en énergie : L’augmentation de fréquence se heurte au problème de la consommation. Doubler la fréquence revient à quadrupler la consommation (à cause de l’augmentation de tension qui accroit le courant de fuite des transistors).
  • Limitation d’architecture : Il n’y a plus beaucoup de progrès architecturaux exploitables sur un processeur
  • Limitation de la mémoire : L‘augmentation de la mémoire est moins rapide que d’autre composants (les processeurs par exemple)

Limitation en énergie

La puissance consommée est un problème majeur dans plusieurs applications :
— équipements nomades
— Les systèmes embarqués autonomes

Une solution est d’utilisé des systèmes basse consommation avec des processeurs qui consomme adapté à la tâche et basse consommation.

Une manière de stocker de l’énergie pour les circuits électroniques sont les batteries. Il y a eu une grande évolution avec les batteries :

1950 : Batterie fait en plomb/acide de 40 wh/kg

1978 : Batterie fait en Lithium-Ion de 90 Wh/kg

2000 : Batterie fait en Lithium polymère de 140 à 160 Wh/kg.

2002 : Batterie fait en Lithium Ion NicoAl de 190 à 250 Wh/kg.

2013 : Batterie en lithium air de 1700-2400 Wh/kg.

La puissance consommé dans un circuit synchrone ;

C : capacité totale à commuter,

V : tension d’alimentation,

T : période d’horloge.

Règle de dimensionnement de Dennard : Une solution consiste à réduire la tension d’alimention.

Tension et courant doivent être proportionnels aux dimensions du transistor. Ainsi si la dimension de votre circuit diminue alors la tension et le courant diminue. Cette règle garanti  un rapport de puissance/unité de surface constante.

Néanmoins la loi de Dennard ignore la tension de seuil et les courants de fuite.

Une des meilleures solutions pour réduire la consommation est le parallélisme.

En effet, au lieu d’utiliser un processeur à pleine puissance, on va utiliser deux processeurs à la moitié de leurs performances pour avoir les mêmes résultats. Ceci réduit les fréquences par deux et donc la tension d’alimentation, la consommation.

Limitation d'architecture

La limitation d’architecture fait face à plusieurs problèmes que l’on va citer ci-dessous :

  1. La réduction des dimensions technologiques entraîne un courant de fuite même pour un transistor qui ne conduit pas.
  2.  La forte augmentation de la densité de puissance par unité de surface entraîne une formation de chaleur plus importante et une évacuation plus difficile de celle-ci. Il y a même une possibilité de destruction des transistors. A terme la dissipation de chaleur risque d’être le facteur limitant de l’intégration. En effet, il est possible d’intégrer un grand nombre de processeurs par circuits, mais on ne pourra en activer qu’une partie pour limiter la dissipation thermique

Limitation en mémoire

Lors de l’amélioration de la technologie, on va chercher à augmenter la taille des mémoires et à augmenter la vitesse de circulation des données.

La taille de mémoire augmente de moins en moins, on compense donc par une accélération de la circulation des données. (bus plus grand et mémoire plus proche du processeur).

Aujourd’hui on sait faire des mémoires de grande taille mais lentes ou bien des mémoires de petite taille mais rapide.

Une des solutions a été de créer des mémoires caches : Ce sont des mémoires de petite taille qui est proche du processeur afin de réduire au maximum le temps de circulation de donnée. On les retrouves sous les noms L1,L2 et L3 sur les schémas électronique.