Le but est d'augmenter l'autonomie des appareils nomades et dans un même temps leurs performances. Pour cela, le contrôle du moindre watt s'est perfectionné côté processeur, parfois jusqu'à inclure le circuit de gestion d'alimentation du système. Un système qui tend à tenir dans un seul boîtier par souci d'économie.
Si seulement les batteries duraient plus longtemps, tous les appareils électroniques portables (téléphones cellulaires, assistants personnels, PC bloc-notes, mini-PC, PC tablettes et autres systèmes multimédias) pourraient alors conquérir plus d'utilisateurs et, ainsi, concrétiser les espérances commerciales de leur marché. Ils montreraient enfin leurs réelles capacités en termes de performances et de fonctionnalités complexes (vidéo, 3D, connexion à Internet, sécurité…). En outre, le problème de l'autonomie étant résolu, les critères de compacité et de légèreté seraient plus accessibles.
Mais la solution ne peut pas venir des batteries car, de ce côté, la technologie est relativement mature. La densité d'énergie des accumulateurs NiMH (nickel métal hybriure), Li-ion (lithium ion) et NiCd (nickel cadmium) ne devrait plus changer notablement et les autres idées émises dans ce domaine sont encore très loin d'être commercialisables. De ce fait, sauf miracle, c'est aux développeurs de processeurs de se pencher sur les méthodes de réduction de la consommation. Ce défi a attiré des firmes comme AMD, Arm, Intel, Hitachi, Motorola, Nec ou TI, et même un spécialiste des circuits de gestion de l'alimentation comme NS ; le tout pour développer des produits qui rivalisent en performances, faible consommation, niveau d'intégration et prix.
Ces contraintes, par essence difficilement conciliables, amènent les concepteurs de puces à faire des compromis et surtout à créer des technologies avancées pour superviser l'énergie dépensée. Les efforts qui ont marqué les premières générations de ces produits sont encore plus appuyés aujourd'hui. Qu'il s'agisse des techniques de conception des transistors du processeur et de son architecture, des modules de gestion de la distribution et de la dissipation d'énergie, tout est mis en œuvre pour contrôler les Mips et les watts, tant au niveau des puces que du système lui-même. Du côté des processeurs, cette tendance hautes performances/faible consommation se manifeste dans le CPU Au1100 d'Alchemy récemment acquis par AMD, la future plate-forme Centrino (aussi baptisée Banias) d'Intel ou encore la dernière version du Crusoe de Transmeta.
Mais le processeur seul n'est pas le plus gros consommateur du système. Comme le montre la figure 1, le CPU et le jeu de circuits associés utilisent environ 30 % de la puissance dans un PC portable. Les fabricants tendent à élargir leur contrôle à l'environnement du processeur dans le système. Les autres sources de consommation comme l'écran LCD et les pilotes mécaniques de disques ne sont pas contrôlables directement par les spécialistes des CPU.
Arm et National Semiconductor illustrent exactement cette tendance avec leur développement en partenariat d'un module intelligent de contrôle de la consommation, englobant le processeur et le circuit de gestion d'alimentation du système embarqué. De son côté, Intel a conçu Banias en traquant la moindre économie d'énergie pour le CPU mais aussi pour son jeu de circuits associés. Relevons également les progrès de la technique d'empilage de puces d'un système dans un boîtier unique. Cette dernière n'a pas comme but unique de limiter la consommation, mais elle y contribue fortement. Intel et Hitachi viennent récemment d'introduire des solutions réunissant dans un même boîtier un processeur XScale (la nouvelle version PXA261/2) et ses mémoires pour le premier, et un CPU SH7705, une SDram et une flash pour le second.
La consommation moyenne de chacun des sous-systèmes d'un PC bloc-notes basé sur un pentium 4-M d'Intel a été évaluée en exécutant le benchmark Ziff Davis BatteryMark 4.0.1 (source Intel Mobile Products Group, Q1 2002).
L'idée qui consiste à empiler les puces d'un système dans un même boîtier se concrétise. Ces systèmes dans un boîtier (SiP) oublient leurs débuts timides (Electronique n° 130, p. 42) et apportent aujourd'hui tous leurs avantages au domaine de l'embarqué. Parmi leurs atouts, citons le gain en surface, une consommation moindre du fait d'interconnexions plus courtes et directes entre les puces, des délais et des coûts de développement réduits. Ainsi, Intel a introduit sa technologie d'encapsulation, baptisée MCP (multiple-chip product), permettant de réunir dans un même « sandwich » un CPU XScale PXA261/2, et deux puces mémoire StrataFlash de 128 Mo chacune.
Ce système dans un boîtier empile un processeur XScale PXA261/2 et deux mémoires Strataflash. Ces puces d'Intel sont reliées entre elles et au substrat ; l'ensemble est maintenu par un moulage plastique.
Le boîtier BGA à 294 billes mesure 13 x 13 x 1,4 mm et dispose d'un bus de données externe sur 32 bits. Intel a profité de cette innovation pour améliorer la conception basse consommation de la version précédente de XScale PXA250. En augmentant le taux de « clock gating » et en perfectionnant le module de gestion de la puissance dissipée chargé de contrôler ces portes logiques, la société a pu baisser la consommation de 256 à 170 mW en mode actif et de 100 à 43 mW au repos (à 200 MHz sous 1 V). Les puces PXA261/2 sont actuellement échantillonnées et seront en production de volume dès le mois prochain.
Hitachi exploite le même concept pour sa famille de modules multipuces appelés SiP (system-in-package). Egalement destiné aux appareils portables, le premier membre de cette famille a reçu le nom de HJ931201. Il empile un processeur basse consommation Risc 32 bits SH7705 (133 MHz sous 1,5 V), une SDram de 64 Mbits et une flash de 16 Mbits ; le tout encapsulé dans un boîtier LFBGA à 240 billes de dimensions 13 x 13 x 1,7 mm (Electronique n° 133, p. 14).
La variété et l'efficacité de toutes ces technologies pour augmenter l'autonomie des produits électroniques portables rendent plausibles les prévisions des analystes de ce marché qui, telle la société In-Stat/MDR, envisagent plus de 525 millions de produits en 2006, soit une croissance de 31 % par rapport à 2002.
En 2000, Transmeta avait surpris le monde des PC portables en annonçant son processeur x86, appelé Crusoe TM5400, possédant une architecture mi-matérielle, mi-logicielle (Electronique n° 103, p. 58). Cette structure totalement nouvelle avait été développée avec pour objectif de hautes performances pour une consommation minimale. Crusoe est un cœur de CPU de type VLIW (Very large instruction word) entouré d'une enveloppe logicielle propriétaire, nommée Code-Morphing, qui traduit les instructions x86 en code exécutable par le noyau matériel. Ce processeur inaugurait également la technologie LongRun. Aujourd'hui, le TM5400 n'ayant pas eu le succès espéré auprès des fournisseurs de PC portables, Transmeta élargit son champ d'action avec la famille Crusoe SE destinée aux applications embarquées d'électronique grand public.
Crusoe SE est disponible pour trois fréquences : 677, 800 et 933 MHz. Les modèles cadencés à 677 et 800 MHz existent en deux versions : « standard power » et « low power ». A 933 MHz, le « standard power » est la seule possibilité. L'ensemble de la famille, alimentée sous une tension d'alimentation entre 0,8 et 1,3 V, revendique une consommation entre 5,1 et 12,2 W. Ces valeurs correspondent au TDP ou « Thermal design power », soit la puissance qui ne sera jamais dépassée pour les gammes de tensions et de températures spécifiées. Une indication plus utile que la classique consommation moyenne typique, car cette dernière varie avec la charge de traitement du CPU. Avec de tels TDP, Crusoe SE peut honnêtement rivaliser avec le Pentium III M et surtout le futur Banias d'Intel, d'autant que le CPU de Transmeta inclut un contrôleur mémoire et une interface PCI qui se trouvent habituellement dans le circuit Northbridge associé. Les membres de cette famille intègrent 128 Ko d'antémémoire de premier niveau et 256 ou 512 Ko de second niveau. Ils fonctionnent sans ventilateur et sont encapsulés dans des boîtiers de type BGA 474 billes.
Notons que la société échantillonnera en juin une prochaine version de Crusoe, baptisée TM5800, qui intégrera un accélérateur matériel pour l'exécution des algorithmes de cryptage des données.
