Couverture ElectroniqueS n°127

Pour les futurs produits électroniques portés sur soi, il faudra créer une nouvelle espèce de solutions SoC intégrées et basse consommation. Les blocs de base sont en place, y compris des solutions de silicium ultra basse consommation, à conjuguer avec un vaste écosystème de développement logiciel et des processeurs basse consommation pour microcontrôleurs et processeurs d'application. Il suffira de les configurer pour créer des SoC répondant aux besoins de toutes les catégories de produits «wearables». L emarché des produits électroniques portés sur soi, ou « wearables », est en rapide expansion et a beaucoup évolué au cours de l'année passée. Il est certainement appelé à prendre encore plus d'importance: selon des chiffres récents du cabinet Futuresource Consulting, la montée de la demande en produits électroniques «wearables» est rapide, les livraisons 2014 devant représenter 52 millions d'unités, soit 32 % de plus qu'en 2013, et celles de 2015 grimper jusqu'à 74 millions d'unités, soit 44 % de croissance. Certains secteurs qui émergent, comme les montres connectées et les traceurs d'activité, devraient croître encore plus rapidement dans les pro-chaines années. La palette des produits disponibles est de plus en plus large, les cas d'utilisation allant des dispositifs axés sur la santé et l'activité des personnes, aux systèmes d'alerte sur smart-phone et aux télécommandes média. Selon Futuresource Consulting, la montée de la demande en produits électroniques «wearables» est rapide, les livraisons 2014 devant représenter 52 millions d'unités, soit 32 % de plus qu'en 2013, et celles de 2015 grimper jusqu'à 74 millions d'unités, soit 44 % de croissance. LAURENCE BRYANT (ARM) Laurence Bryant est vice-président d'ARM, en charge de la stratégie marketing. Il œuvre notamment pour l'adoption de l'architecture ARM dans un vaste panel d'applications. Il possède 20 ans d'expérience dans le marketing de solutions technologiques, successivement chez Atmel et Infineon, et depuis 10 ans chez ARM. Bien que ce marché relativement récent soit très fragmenté, le paysage s'éclaircit lentement ; il s'avère que des fonctionnalités, précédemment réparties sur des dispositifs discrets, sont désormais consolidées et intégrées dans les «wearables » de nouvelle génération, qu'il s'agisse de lunettes connectées ou de produits portés au poi-gnet. Les briques de base technologiques sont désormais disponibles pour permettre aux grands OEM de passer à une nouvelle phase de développement de produits portés sur soi, et il est possible d'envisager de nouveaux cas d'utilisation et applications tournés vers le bien-être, l'infodivertissement, la santé, l'industrie et l'entreprise. Les besoins des concepteurs Suite à l'évolution du marché ces dernières années, les fabricants et les fournisseurs de dispositifs portés sur soi ont une meilleure vision des types de produits et des fonctions susceptibles d'avoir un succès durable. Cette connaissance se propage dans toute la chaîne d'approvisionnement jusqu'aux fabricants de semi-conducteurs, qui comprennent mieux les besoins de niveau système des différentes catégories de «wearables », chacune présentant son propre ensemble de spécifications. Cela va des dispositifs haut de gamme exécutant un riche système d'exploitation (OS) et une interface utilisateur complexe, jusqu'aux petits accessoires légers et sans interface utilisateur, utilisés comme compagnons des smartphones («appcessories»). Bien qu'il existe une myriade de produits différents, plusieurs technologies clés sont communes à tous. Le point absolument critique pour les produits portés sur soi, par rapport aux smartphones par exemple, est qu'ils doivent consommer encore moins d'énergie ou, ce qui revient au même, avoir une plus grande efficacité énergétique. Cela ne veut pas dire que la consommation importe peu pour les smartphones ; mais pour les «wearables», l'équilibre optimal entre basse consommation et performance de traitement penche souvent vers la faible consommation ; et il s'y ajoute le problème primordial du coût, en particulier dans le bas de gamme. Pour ce qui est de la consommation, la batterie d'un dispositif électronique porté sur soi devra être à peu près 20 fois plus petite que celle d'un smart-phone (150 mAh) et devra fonctionner plusieurs semaines sans recharge. Ceci est à comparer aux gros smartphones et autres dispositifs mobiles dont les batteries de 3000 mAh ne doivent tenir la charge «que » plusieurs jours. Les technologies en place C'est un fait que la plupart des dispositifs électroniques portés sur soi font aujourd'hui largement appel aux puces et technologies basse consommation d'ARM, qui existaient avant l'émergence des «wearables». ARM et ses partenaires sont en bonne position pour identifier et optimiser les technologies sous-jacentes qui amélioreront encore la durée de vie des batteries et l'expérience utilisateur. Ce qui sera accompli dès la prochaine phase de développement des «wearables», lesquels seront animés par des SoC spécifiques conçus sur mesure pour les produits et applications portés sur soi. En milieu et haut de gamme, un haut niveau d'intégration est critique, de même qu'un partitionnement optimal de l'architecture système en une structure multicœur, qui permet de combiner un traitement efficace des données temps réel issues des capteurs, le réveil d'un processeur d'application uniquement en cas de besoin pour exécuter un OS ou une interface utilisateur, et un choix optimal de canaux de communication. Les technologies de processus de fabrication des composants de silicium ultra-basse consommation (ULP, ultra low power ) sont l'une des briques essentielles pour une solu-tion SoC à la fois hautement intégrée et de basse consommation. Le fondeur leader mondial TSMC, par exemple, a récemment étendu la palette de ses technologies ULP LL ( low-leakage ) pour offrir de nouveaux procédés de fabrication aux nœuds 55, 40 et 28 nanomètres (nm). Cela permettra une réduction des tensions d'alimentation pouvant atteindre 20 à 30 % avec pour effet d'abaisser la consommation active aussi bien que de veille et d'augmenter fortement la durée de vie des batteries des «wea-rables», potentiellement d'un facteur deux à dix. Bien que ces processus supportent jusqu'à 1,2GHz, il est très probable que les SoC fonctionneront entre 500 et 600 MHz pour réduire la consommation. De plus, les processus ULP de TSMC –du moins jusqu'au nœud 40nm– permettent d'implémenter sur la puce, avec les circuits logiques, de la mémoire flash embarquée et des fonctions RF (pour l'électronique portée sur soi, très certainement avec le protocole Bluetooth Low Energy ou BLE); ce qui rendra possible une très haute intégration système et l'avènement de produits plus compacts. L'autre élément clé à sélectionner par les fabricants de SoC est constitué par les processeurs et architectures de traitement et leur écosystème de développement logiciel, disponibles auprès de fournisseurs de propriété intellectuelle (IP) comme ARM. Les processeurs et architectures ARM sont déjà bien installés dans l'électronique portée sur soi, puisque la majorité des produits actuels conçus avec des processeurs et microcontrôleurs existants utilisent les technologies ARM. L'écosystème ARM inclut une riche gamme de cœurs processeurs, d'IP et d'architectures, ce qui permet aux fabricants de SoC d'y puiser toutes les fonctions nécessaires pour créer des solutions «wearables» basse consommation et optimisées. Le vaste choix de processeurs ARM sur étagères comporte notamment la série des cœurs Cortex-M de différents niveaux de performance, dont les M0, M0+, M3, M4 et M7. Ceux-ci sont adaptés pour être déployés en tant que cœurs ultra-basse consommation au sein des systèmes de mesure fonctionnant en permanence («always on») et toujours connectés, traitant les données localement, ce qui minimise le trafic sans fil et économise la batterie. Par ailleurs, les processeurs Cortex-A5 et Cortex-A7 pour applications monocœurs, tous deux très populaires dans les smartphones économiques actuels, sont capables de gérer un riche OS ou une interface utilisateur complexe comme Android Wear, par exemple. De plus, il existe des blocs IP complémentaires à déployer dans les dispositifs à riche fonctionnalité, à choisir dans la famille ARM Mali de processeurs graphiques, vidéo et d'affichage. Pour les dispositifs bas de gamme qui n'ont pas besoin d'une riche interface utilisateur et fonctionnent souvent en tant qu' «appcessory», le processeur d'application pourra être absent. La configuration repose alors sur le filtrage des données reçues des capteurs, une opération essentielle car la transmission d'un trop grand nombre de données au smartphone peut être « fatale » en termes de consommation. L'implémentation système A partir de cette propriété intellectuelle, les fabricants de puces peuvent configurer les processeurs pour diverses fonctionnalités et niveaux de prix, par exemple en pensant au prix et à la consommation, et non à la performance. Il est possible d'exploiter ainsi un Cortex-A5 ou Cortex-A7, qui fonctionne en général à 1,2GHz dans les smartphones. Un Cortex-A5 peut parfaitement être limité à 500MHz et fabriqué avec un processus ULP 40nm. Il en résultera un processeur de très petite taille, de très bas coût et consommant très peu, mais toujours capable d'exécuter un riche OS de type smartphone, si et quand le système le demande. En plus de ce large choix d'IP, ARM dispose d'un écosystème robuste et très étendu de développement logiciel, qui s'est élaboré au fil des ans pour des applications mobiles et grand public entre autres. Le modèle économique d'ARM permet aux fabricants de puces de se focaliser sur la différenciation et les fonctionnalités spécifiques de l'application, tout en accédant aux écosystèmes les plus vastes de l'industrie. Les fabricants de puces doivent adopter une approche de conception holistique et implémenter un large éventail de technologies pour développer ces SoC optimisés pour les « wearables », supposés étendre encore la durée de vie de la batterie ou atteindre de plus hauts niveaux d'intégration pour la compacité, essentielle dans les dispositifs portés sur soi. En milieu et haut de gamme, un haut niveau d'intégration est critique, de même qu'un partitionnement optimal de l'architecture système en une structure multicœur, qui permette de combiner un traitement efficace des données temps réel issues des capteurs, le réveil d'un processeur d'application uniquement en cas de besoin pour exécuter un OS ou une interface utilisateur, et un choix optimal de canaux de communication (voir figure 1, montrant les diagrammes structurels des architectures de milieu et haut de gamme) . A l'autre bout du spectre, côté bas de gamme, où les dispositifs n'ont pas besoin d'une riche interface utilisateur et fonctionnent souvent en tant qu'«appcessory», le processeur d'application pourra être absent. Cette configuration (voir figure 2) repose sur le filtrage des données reçues des capteurs, une opération également appelée fusion de capteurs, qui est essentielle car la transmission d'un trop grand nombre de données au smartphone peut être «fatale» en termes de consommation (bien que le protocole Bluetooth BLE puisse apporter une importante contribution à l'allongement de la durée de vie de la batterie). Le processeur d'application d'un dispositif porté sur soi bas de gamme ne sera de toute manière jamais allumé en permanence («always on»). Il restera en général en mode veille pendant que les mesures des capteurs s'accumulent en mémoire avant d'être traitées en rafale. Bien que les mesures semblent continues à l'utilisateur, l'action du processeur sera déclenchée uniquement par des événements tels qu'une interaction de l'utilisateur ou la disponibilité d'un ensemble de données prêtes à être traitées. n Pour plus d'information sur les technologies ARM dédiées au développement de dispositifs électroniques portés sur soi : http: //www.arm. com/files/pdf/Advanced-Architectures-and-Technologies-for-the-Development-of-Wearable.pdf

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