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DESIGN OF EXTREMELY ENERGY-EFFICIENT MULTI-CORE PROCESSOR IN NANOSCALE CMOS FOR MEDIA PROCESSING IN PORTABLE DEVICES

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Des traitements en parallèle moins gourmands en énergie

Les traitements en parallèle au cours desquels plusieurs processeurs effectuent des opérations dans différents sous-ensembles de données sont essentiels pour de nombreuses applications multimédia. Une nouvelle architecture de puce utilisant des modèles de gestion intelligente de l'énergie pourrait diminuer radicalement la consommation d'énergie des appareils portables.

Énergie icon Énergie

De nombreuses applications multimédia futures seront profondément parallèles par nature et traiteront des quantités énormes de données. Par exemple, une moyenne de 1 000 000 de nombres peut être calculée en faisant la moyenne de 1 000 ensembles de 1 000 nombres et en prenant la moyenne de ces 1 000 moyennes. Le projet RAVEN10 financé par l'UE a été lancé pour développer des architectures à nombreux cœurs pour des traitements en parallèle avec une grande efficacité énergétique prenant en charge des nœuds technologiques de très petite taille (à l'échelle nanométrique) pour ce genre d'applications. De manière importante, le contrôle de la reconfiguration dynamique sur puce permet de réduire les coûts de fabrication qui peuvent s'élever à des dizaines de millions d'euros pour les puces modernes à application unique. Pour atteindre leurs objectifs, les chercheurs ont utilisé des modèles de mise à l'échelle dynamique de la tension et de la fréquence (DVFS, de l'anglais dynamic voltage and frequency scaling). La DVFS est une technique de gestion de l'énergie et de la chaleur qui adapte la tension ou la fréquence du processeur en fonction des besoins de calcul. L'architecture RAVEN (pour Resilient Architecture with Vector-thread Execution, en anglais) applique ce genre de modèles à chaque cœur avec un processeur de contrôle indépendant. L'équipe a utilisé avec succès des convertisseurs DC-DC à capacité commutée (SC) reconfigurables, un sous-ensemble des convertisseurs de puissance DC-DC qui permet de convertir efficacement les tensions. En revanche, certains problèmes techniques ont dû être résolus pour maintenir des modèles DVFS bien réglés sur un grand nombre de processeurs. Des modèles d'horloge adaptative ont transformé la perte de SC associée à la résistance de sortie du convertisseur en avantage. Les chercheurs ont obtenu des fréquences de commutation plus faibles et des rendements énergétiques très élevés. De plus, la réalisation d'une analyse énergétique système pour une tension d'alimentation variable plutôt que fixe a permis une optimisation globale. Le système utilise le point d'énergie minimum pour chaque processeur dans chaque tâche individuelle. Une solution innovante au nombre fini de ratios de conversion a permis une réduction de l'énergie nécessaire par cœur allant jusqu'à 25 % en comparaison des modèles DVFS avec des régulateurs de tension traditionnels. Une puce test comportant un modèle DVFS complet mis en œuvre sur un cœur simple est actuellement en cours d'évaluation. La réussite de la mise en œuvre du concept RAVEN permettra de réduire de manière radicale la consommation d'énergie et le coût du traitement de l'image et de la voix sur les téléphones portables et les tablettes grâce au contrôle de reconfiguration dynamique sur puce. Les économies d'énergie annuelles potentielles des téléphones portables d'une seule marque pourraient être équivalentes à la consommation de dizaines de milliers de ménages, ce qui n'est pas rien étant donné le nombre d'appareils portables utilisés à travers le monde.

Mots‑clés

Traitement, appareils portables, efficacité énergétique, échelle nanométrique, sur puce, DVFS

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