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. 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. La plupart des processeurs calibrent leur tension et leur fréquence de manière à avoir le meilleur compromis possible entre performance et consommation électrique.

Pour réduire la consommation énergétique, les ingénieurs ont inventé diverses techniques assez intéressantes. Globalement, elles se classent en deux catégories, suivant la méthode utilisée pour réduire la consommation d'énergie. Les premières consistent à tout simplement mettre en veille les circuits inutilisés du processeur, ou du moins à faire en sorte qu'ils ne consomment pas d'énergie. La seconde technique, plus complexe, adapte la tension et la fréquence en fonction des besoins.

Éviter la consommation des circuits inutilisés

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.

Le Power Gating et le Clock Gating

Power Gating.

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.

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.

Clock gate fabriquée avec une porte OU.

Clock gate fabriquée 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.

Clock gate fabriquée avec une porte ET et une bascule.

L'évaluation gardée

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.

Evaluation gardée

Le défaut est que le circuit fournit sur sa sortie un résultat, qu'il faut ignorer. Mais heureusement, il arrive que la sortie d'un circuit ne soit tout simplement pas prise en compte. Le cas le plus simple est celui où le circuit est suivi par un multiplexeur. Dans ce cas, si la sortie du circuit n'est pas choisie par le multiplexeur et qu'on peut le savoir à l'avance, le circuit peut être figé par évaluation gardée. Un exemple est celui des processeurs, qui disposent de plusieurs circuits de calculs : des circuits de calcul spécialisés dans les additions/soustraction, d'autres dans les multiplications, d'autres dans les opérations logiques, et autres ; qui sont suivies par un multiplexeur pour choisir le résultat adéquat. Suivant le calcul à effectuer, qui est connu à l'avance, on sait quel circuit de calcul choisir et comment configurer le multiplexeur.

Les techniques basées sur la relation entre tension et fréquence

Un point important est fréquence et tension d'alimentation sont liées. Il est possible de démontrer que la fréquence d'un circuit imprimé dépend de la tension d'alimentation et suit une relation approximative qui ressemble à ceci :

$f\propto {\frac {U-V_{TH}}{U}}$, avec U la tension d'alimentation et $V_{TH}$ une tension minimale appelée la tension de seuil en-dessous de laquelle les transistors ne fonctionnent plus correctement.

L'équation précédente se reformule en :

$f\approx f_{\text{max}}\times \left(1-{\frac {V_{TH}}{U}}\right)$

La conséquence immédiate est que 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.

La distribution de fréquences et de tensions d'alimentations multiples

Une première solution prend en compte le fait que certaines portions du processeur sont naturellement plus rapides que d'autres. La technique a été utilisée sur certains processeurs multicoeurs, où certains coeurs sont naturellement cadencés à une fréquence inférieur. De tels processeurs regroupent des cœurs puissants à haute fréquence et des cœurs basse-consommation à basse fréquence. C'est le cas sur certaines puces ARM et sur les processeurs Intel Core de 12e génération, de micro-architecture "Alder Lake".

Mais ce principe peut aussi s'appliquer à l'intérieur d'un coeur, qu'il soit de haute ou basse performance. 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. Le processeur est divisé en domaines d'horloge séparés, chacun allant à sa propre fréquence. Les circuits sont répartis dans chaque domaine d’horloge suivant ses besoins. Nous avions abordé les domaines d'horloge dans le chapitre sur les circuits synchrones et asynchrones, dans la dernière section nommée "La distribution de l'horloge dans un circuit complexe".

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

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.

Il est possible de réduire la tension d'alimentation, si on réduit la fréquence en même temps. La technologie consistant à diminuer la tension d'alimentation suivant les besoins s'appelle le Dynamic Voltage Scaling, de son petit nom : DVS. Elle donne des gains bien plus importants que le DFS, vu que la consommation dynamique dépend du carré de la tension d'alimentation.

Le seul problème avec cette technique est la tension de seuil, qui dépend de la physique des transistors et qui est relativement constante, proche de 0,4 Volts. Plus la tension d'alimentation des processeurs diminue, plus elle se rapproche de la tension de seuil. En soi, pas de problème pour ce qui est de la fréquence maximale, qui reste globalement la même du fait de l'impact de la loi de Moore. Par contre, le DVS est limité par la tension de seuil. Comparons par exemple une tension de 2 volts et de 1 Volt. Avec 2 volts, on a une marge de 1,6 V que le DVS peut utiliser. Mais avec une tension d'alimentation de 1 Volt, il ne reste qu'une marge de 0,6 V à exploiter pour le DVS. La réduction de consommation liée au DVS est donc de plus en plus limité avec le temps, avce la réduction naturelle de la tension d'alimentation.

La configuration de la fréquence et de la tension peut se faire de plusieurs manières. Une méthode simple est une configuration logicielle. Le processeur contient de DVFS un registre dans lequel le système d'exploitation écrit les valeurs de configuration nécessaire. L'OS ne peut pas choisir directement la fréquence et le voltage, mais il peut choisir un niveau de DFVS, un numéro qui correspond à un couple tension-fréquence précis. De nos jours, cette solution n'est plus trop utilisée, le réglage étant le fait du processeur lui-même. Tous les processeurs modernes incorporent un sous-processeur qui est spécialisé dans la régulation de la tension et de la fréquence, qui monitore l'utilisation du processeur, de ses circuits, sa température, et qui décide du couple tension-fréquence en fonction de.

Sur les processeurs multicoeurs, la régulation du couple tension-fréquence se fait cœur par cœur, avec cependant une régulation globale. Il est possible d'éteindre les cœurs non-utilisés, de faire tourner les cœurs peu utilisés à basse fréquence, pendant que les cœurs très utilisés sont à fréquence maximale. De nos jours, la fréquence maximale n'est atteinte que dans ces circonstances bien précises : il faut que seul un cœur soit actif, et les autres en veille ou très peu occupés. Si tous les cœurs sont très occupé, la fréquence des cœurs atteint un plateau inférieur à la fréquence maximale. Mais si un seul cœur est utilisé, alors il ira à la fréquence maximale. La raison tient dans les limitations thermique, et au problème du dark silicon.

La régulation tension-fréquence doit aussi tenir compte des domaines d'horloge. Dans le cas le plus simple, la réduction de la fréquence est la même pour chaque domaine d'horloge, de même que la réduction de la tension. Elle ne tient pas vraiment compte des domaines d'horloge, du moins dans le sens où la régulation est globale, même si chaque domaine d'horloge voit sa fréquence impactée. Mais il est aussi possible de réguler le couple tension-fréquence indépendamment pour chaque domaine d'horloge, afin de gérer plus finement la réduction de fréquence. Il est même possible de vérifier l'utilisation de chaque domaine d'horloge, et de régler leur fréquence suivant s'ils font beaucoup de calculs ou pas.