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Microcontrôleurs 32 bits: la frugalité avant tout


Composants embarqués par excellence, les microcontrôleurs ont toujours soigné leur consommation. Leur statut de chefs d'orchestre chargés non seulement d'exécuter un code logiciel mais aussi et surtout de gérer des blocs périphériques analogiques parfois gourmands (convertisseurs analogique-numérique et numérique-analogique, pilotes de diodes, sorties PWM, etc.) ne leur rend pourtant pas la tâche facile. Leur généralisation dans des appareils nomades alimentés sur piles ou batteries et non plus sur secteur ainsi que l'avènement de normes énergétiques toujours plus strictes constituent d'autres défis à relever. Les fabricants de semi-conducteurs rivalisent donc d'ingéniosité pour proposer des microcontrôleurs toujours plus frugaux, une tendance particulièrement présente au cours de ces derniers mois. L'une des innovations récentes les plus marquantes en la matière est venue d'Am-biq Micro et de sa famille de microcontrôleurs Apollo à cœur 32 bits Cortex-M4F dont la consommation est annoncée comme étant cinq à dix fois inférieure à celle des circuits concurrents. Plus précisément, les Apollo affichent une consommation de 35μA/MHz en mode actif et de 100 nA en mode veille, des chiffres qui se présentent effectivement sous un jour très favorable par rapport à la concurrence. La jeune pousse texane exploite pour cela une technologie propriétaire baptisée SPOT pour Sub-threshold power optimized technology. Rappelons que la majeure partie de l'énergie consommée dans les circuits numériques, a fortiori les microcontrôleurs qui ne sont pas concernés par les effets retors des tout derniers procédés de fabrication ultrafins sur les courants de fuite, réside dans l'énergie dynamique correspondant au changement d'état des transistors lorsque le circuit est en fonctionnement. Cette énergie varie en fonction du carré de la tension d'alimentation : diminuer cette dernière confère donc un avantage décisif. En rabaissant de 1,8V à 0,5V, on diminue par exemple la consommation d'un facteur 13 ; de 1,8 V à 0,3 V, d'un facteur 36. D'où l'idée d'utiliser les transistors en dessous de leur tension de basculement. Travaillant sur ce sujet à l'Université du Michigan, les fondateurs d'Ambiq ont réussi à exploiter le concept du fonctionnement subthreshold dans des microcontrôleurs standards. Cette conception numérique en eaux troubles n'est pas sans poser de nombreuses difficultés. La modélisation des transistors s'avère imprécise sous la tension de basculement ; la réponse beaucoup plus sensible des transistors dans cette zone nécessite une grande précision et souffre du bruit ambiant, des variations de pro-cess et de température ; enfin, il faut s'assurer que la chaîne de fabrication est compatible avec ces circuits, avec, par exemple, des testeurs capables de mesurer des nano voire des pico-ampères. Ambiq s'est d'abord attelé à recaractériser des modèles de transistors susceptibles de fonctionner de manière satisfaisante en subthreshold, puis à sélectionner les blocs fonctionnels compatibles à cet usage particulier, bref à se munir de briques de base présentant une basse consommation tout en restant compatibles avec les process standards. L'effort a surtout porté sur les fonctions analogiques : si la majeure partie des blocs numériques classiques peuvent être modifiés pour fonctionner sous des tensions très faibles, il a souvent été nécessaire de reconcevoir entièrement des fonctions analogiques et mixtes pour les rendre compatibles avec ces basses tensions. Des transistors classiques, fonctionnant au-delà de la tension de seuil, figurent également au menu pour les quelques fonctions qui n'affectent pas la consommation du circuit de manière signi- ficative et répétée. C'est le cas, par exemple, de la mémoire non volatile servant à stocker les valeurs de réglage et de calibrage et utilisée seulement au démarrage de la puce lors du transfert de ces valeurs vers les registres ad hoc (qui, eux, fonctionnent en subthreshold, comme, par défaut, l'essentiel du circuit).......

【作者名称】: FRÉDÉRIC RÉMOND
【关 键 词】: Microcontrôleurs 32 bits: la frugalité avant tout
【期刊名称】: Electronic
【期刊论文数据库】: [DBS_Articles_01]
【期刊论文编号】: 108,691,293
【摘要长度】: 4,012
【上篇论文】: 外文期刊 - A survey of British research on wave propagation with particular reference to television
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