Fonctionnement d'un ordinateur/Les techniques de réduction de la consommation électrique d'un processeur
Le chapitre précédent nous a appris que la consommation d'un processeur dépend de sa fréquence et de sa tension d'alimentation, la tension d'alimentation ayant un effet largement supérieur à celui de la fréquence. Un point important est fréquence et tension d'alimentation sont liées : baisser la fréquence permet de faire baisser l'autre. Et inversement, faire baisser la tension implique de faire baisser la fréquence, sans quoi les transistors ne peuvent plus suivre. Pour résumer, diminuer la tension ou la fréquence permettent de diminuer la consommation énergétique. De plus, la diminution de tension a un effet plus marqué que la diminution de la fréquence. Pour réduire la tension et la fréquence, les ingénieurs ont inventé diverses techniques assez intéressantes, qui permettent d'adapter la tension et la fréquence en fonction des besoins.
La distribution de fréquences et de tensions d'alimentations multiples[modifier | modifier le wikicode]
Une première solution prend en compte le fait que certaines portions du processeur sont naturellement plus rapides que d'autres. Il est en effet possible de faire fonctionner certaines portions du processeur à une fréquence plus basse que le reste. Autant les circuits de calculs doivent fonctionner à la fréquence maximale, autant un processeur intègre des circuits annexes assez divers, sans rapport avec ses capacités de calcul et qui peuvent fonctionner au ralenti. Par exemple, les circuits de gestion de l'énergie n'ont pas à fonctionner à la fréquence maximale, tout comme les timers (des circuits qui permettent de compter les secondes, intégrés dans les processeurs et utilisés pour des décomptes logiciels). Pour cela, les concepteurs de CPU font fonctionner ces circuits à une fréquence plus basse que la normale. Ils ont juste à ajouter des circuits diviseurs de fréquence dans l'arbre d'horloge.
Vu que les circuits en question fonctionnent à une fréquence inférieure à ce qu'ils peuvent, on peut baisser leur tension d'alimentation juste ce qu'il faut pour les faire aller à la bonne vitesse. Pour ce faire, on doit utiliser plusieurs tensions d'alimentation pour un seul processeur. Ainsi, certaines portions du processeur seront alimentées par une tension plus faible, tandis que d'autres seront alimentées par des tensions plus élevées. La distribution de la tension d'alimentation dans le processeur est alors un peu plus complexe, mais rien d'insurmontable. Pour obtenir une tension quelconque, il suffit de partir de la tension d'alimentation et de la faire passer dans un régulateur de tension, qui fournit la tension voulue en sortie. Les concepteurs de CPU ont juste besoin d'ajouter plusieurs régulateurs de tension, qui fournissent les diverses tensions nécessaires, et de relier chaque circuit avec le bon régulateur.
Le Dynamic Voltage Scaling et le Frequency Scaling[modifier | modifier le wikicode]
Les fabricants de CPU ont eu l'idée de faire varier la tension et la fréquence en fonction de ce que l'on demande au processeur. Rien ne sert d'avoir un processeur qui tourne à 200 gigahertz pendant que l'on regarde ses mails. Par contre, avoir un processeur à cette fréquence peut être utile lorsque l'on joue à un jeu vidéo dernier cri. Dans ce cas, pourquoi ne pas adapter la fréquence suivant l'utilisation qui est faite du processeur ? C'est l'idée qui est derrière le Dynamic Frequency Scaling, aussi appelé DFS.
De plus, diminuer la fréquence permet de diminuer la tension d'alimentation, pour diverses raisons techniques. La technologie consistant à diminuer la tension d'alimentation suivant les besoins s'appelle le Dynamic Voltage Scaling, de son petit nom : DVS. Ces techniques sont gérées par un circuit intégré dans le processeur, qui estime en permanence l'utilisation du processeur et la fréquence/tension adaptée.
Le Power Gating et le Clock Gating[modifier | modifier le wikicode]
Si on prend un exemple pour une maison, ne pas éclairer et/ou chauffer une pièce inutilisée évite des gaspillages. Eh bien des économies du même genre sont possibles dans un circuit imprimé. Un bon moyen de réduire la consommation électrique est simplement de couper les circuits inutilisés. Par couper, on veut dire soit ne plus les alimenter en énergie, soit les déconnecter de l'horloge. Par chance, un circuit intégré complexe est constitué de plusieurs sous-circuits distincts, aux fonctions bien délimitées. Et il est rare que tous soient utilisés en même temps. Pour économiser de l'énergie, on peut tout simplement déconnecter les sous-circuits inutilisés, temporairement.
Une première solution consiste à ne pas dépenser d'énergie inutilement, ne pas alimenter ce qui ne fonctionne pas, ce qui est en pause ou inutilisé, afin qu'ils ne consomment plus de courant : on parle de power gating. Elle s'implémente en utilisant des Power Gates qui déconnectent les circuits de la tension d'alimentation quand ceux-ci sont inutilisés. Cette technique est très efficace, surtout pour couper l'alimentation du cache du processeur. Cette technique réduit la consommation statique des circuits, mais pas leur consommation dynamique, par définition.
Une autre solution consiste à jouer sur la manière dont l'horloge est distribuée dans le processeur. On estime qu'une grande partie des pertes ont lieu dans l'arbre d'horloge (l'ensemble de fils qui distribuent l'horloge aux bascules), approximativement 20 à 30% (mais tout dépend du processeur). La raison est que l'horloge change d'état à chaque cycle, même si les circuits cadencés par l'horloge sont inutilisés, et que la dissipation thermique a lieu quand un bit change de valeur. S'il est possible de limiter la casse en utilisant des bascules spécialement conçues pour consommer peu, il est aussi possible de déconnecter les circuits inutilisés de l'horloge : on appelle cela le Clock Gating.
Pour implémenter cette technique, on est obligé de découper le processeur en plusieurs morceaux, reliés à l'horloge. Un morceau forme un tout du point de vue de l'horloge : on pourra tous le déconnecter de l'horloge d'un coup, entièrement. Pour implémenter le Clock Gating, on dispose entre l'arbre d'horloge et le circuit, une Clock Gate, un circuit qui inhibe l'horloge au besoin. Comme on le voit sur le schéma du dessus, ces Clock Gates sont commandées par un bit, qui ouvre ou ferme la Clock Gate Ce dernier est relié à la fameuse unité de gestion de l'énergie intégrée dans le processeur qui se charge de le commander.
Une clock gate est, dans le cas le plus simple, une vulgaire porte logique tout ce qu'il y a de plus banale. Ce peut être une porte OU ou encore une porte ET. La seule différence entre les deux est la valeur du signal d'horloge quand celle-ci est figée : soit elle est figée à 1 avec une porte OU, soit elle est figée à 0 avec une porte ET. Le bit à envoyer sur l'entrée de contrôle n'est pas le même : il faut envoyer un 1 avec une porte OU pour figer l'horloge, un 0 avec une porte ET.
Il est aussi possible de complexifier le circuit en ajoutant une bascule pour mémoriser le signal de contrôle avant la porte logique.
L'évaluation gardée[modifier | modifier le wikicode]
L'évaluation gardée est une technique assez proche du clock gating et du power gating, dans l'esprit. Elle s'applique dans le cas d'un circuit dont les sorties sont utiles sous certaines conditions, mais inutiles dans d'autres. Un tel circuit peut en théorie utiliser une clock ou power gate pour l'éteindre quand on ne l'utilise pas. Mais le temps de réaction d'une clock/power gate n'est pas compatible avec un circuit à l'utilisation rapidement changeante.
Une solution alternative active ou désactive le circuit avec un signal de commande, relié à un registre d'entrée. Chose très importante : le registre est à entrée Enable. Concrètement, si l'entrée Enable est activée, l'entrée est recopiée sur la sortie, le registre est alors transparent et tout se passe comme s'il n'était pas là. Mais quand le signal Enable passe à 0, alors l'ancienne valeur de l'entrée est mémorisée dans le registre. Si le circuit est utilisé, l'entrée Enable est à 1 et le circuit fonctionne normalement. Mais si on veut désactiver le circuit, on met l'entrée à 0 : le circuit est figé avec l'ancienne valeur de l'entrée.
L'intérêt est que cela fige le circuit dans l'état dans lequel il était. N'oublions pas que ce qui consomme de l'énergie, c'est de faire changer d'état les transistors ! Si on éteignait ou remettait le circuit à zéro, cela demanderait un petit peu d'énergie pour faire la transition. Ici, au lieu d'éteindre le circuit, on fige ce qu'il y a sur l'entrée, et donc l'état des transistors dans tout le circuit ! Pas de transition pour éteindre le circuit, sauf peut-être un petit peu dans le registre.
