Technologies clés 2010

TECHNOLOGIES CLÉS 2010 (novembre 2006)

Technologies de l’information et de la communication

3. Processeurs et systèmes

Description

Un (micro)processeur (MPU) est la forme intégrée de l'unité centrale (CPU) d'un ordinateur. Ce composant microélectronique est composé de fonctions complexes dont l'unité de calcul logique est l'unité de contrôle. Les microprocesseurs modernes comportent aussi une mémoire de type cache d'une taille importante (1 Mo en 2005). Il faut savoir que cette dernière occupe environ la moitié de la surface totale de la puce.

Il faut considérer deux grandes familles de processeurs : les processeurs généralistes et les processeurs spécialisés dans une fonction ou un domaine. La première catégorie, conçue pour un large spectre d'applications de traitement de données, équipe les micro-ordinateurs et les serveurs. La seconde est au cœur des systèmes de traitement du signal (audio, vidéo et maintenant radiofréquence) et de communication (processeur réseau) et des systèmes enfouis et nomades fortement communicants. Un microprosseur peut aussi intégrer une mémoire centrale vive et morte et des interfaces d'entrée-sortie ; on parle alors de microcontrôleurs MCU (pour MicroController Unit).

Le nombre d'opérations élémentaires effectuées par unité de temps est la performance principale attendue d'un processeur. En attendant la mise en œuvre de technologies de rupture (évoquées dans la monographie), cinq axes de développement pour répondre aux besoins futurs peuvent être envisagés :

augmentation du nombre de transistors sur une petite surface : l'amélioration passe par des techniques d'imagerie et de gravure performantes (lithographie), d'où la réduction de la taille des transistors élémentaires. Ces améliorations ne peuvent être considérées sans leur adjoindre des dispositifs d'évacuation des calories, posant ainsi des problèmes de coûts induits ;
nouvelles architectures pour les microprocesseurs : architectures multicœurs (multi-core), architectures asynchrones ou architectures multitâches. Ces architectures sont basées sur le principe « diviser pour mieux régner » et permettent d'effectuer des traitements simultanés, source de performance ;
spécialisation des processeurs : à l'inverse d'un processeur généraliste qui doit s'adapter au traitement, la conception d'architectures totalement dédiées à un type de traitement permet des optimisations spectaculaires ;
évolution vers des systèmes reconfigurables dynamiquement ou statiquement : le support matériel de ces systèmes est le composant logique programmable (par exemple le FPGA pour Field-Programmable Gate Array). Une programmation logicielle de ce composant permet de réaliser des traitements complexes au même titre qu'un réseau de processeurs : algorithmes de traitement parallèle (audio - vidéo), fonctions de cryptographie, etc. Il peut être intégré aussi dans un microprocesseur en tant que coprocesseur ;
intégration de véritables systèmes (processeur, mémoire, capteur, actionneur, etc.) sur une puce ( SoC pour System-on-Chip) : les SoC consituent une révolution majeure en matière de conception de systèmes intégrés et imposent la mise en œuvre de nouvelles méthodes et outils permettant d'en maîtriser la conception, la vérification et le test.

De façon générale, la complexification d'un système à base de processeurs s'accompagne du besoin croissant d'adjoindre des fonctions logicielles capables d'assurer la liaison entre les ressources physiques et les applications, et permettant de configurer le système pour un usage spécifique.

C'est le rôle du système d'exploitation (OS pour Operating System) qui est un des logiciels les plus difficiles à développer et à maintenir à cause de son volume de code. Il revêt des caractéristiques différentes selon le type de matériel auquel il est associé, ou selon le type de fonctions qu'il réalise : gestion avancée des ressources (énergie, processeur, mémoire, etc.), gestion des contraintes temporelles fortes (Real-Time System - RTS), tout en garantissant les temps de réponse.

Les architectures basées sur des cœurs multiples ou l'usage de plusieurs processeurs posent des défis nouveaux aux systèmes d'exploitation qui doivent résoudre des problématiques liées à l'ordonnancement des tâches, la gestion de plusieurs contextes d'utilisation (conflits d'accès aux données, partage du temps processeur), ou bien encore la communication entre les processeurs.

Les qualités attendues du système d'exploitation sont donc la gestion de la complexité de l'architecture matérielle, la performance en terme de calcul, la fiabilité (tolérance aux fautes) et la sécurité, la facilitation de la mise en œuvre d'applications finales. En particulier, le système d'exploitation doit être accompagné d'un ensemble d'outils logiciels permettant aux concepteurs de développer des applications. Aujourd'hui, l'aspect sécurité devient un enjeu prioritaire dans la conception d'OS.

Les évolutions attendues sont en matière de systèmes d'exploitation adaptatifs permettant de gérer l'hétérogénéité de l'architecture d'un système.

Degré de développement :
Emergence	Croissance	Maturité

Enjeux, Impact

Le couple processeur-système d'exploitation est au cœur de la performance des ordinateurs, du micro-ordinateur au serveur puissant, en passant par les systèmes embarqués dans les objets du quotidien.

L'enjeu central pour les acteurs français et européens est de rester dans la compétition mondiale. En effet, on peut attendre dans les cinq années à venir un accroissement des coûts des équipements permettant la production de processeurs puissants basés sur des technologies nanométriques (de l'ordre de 50 Md$ contre 5 Md$ aujourd'hui). De fait, les solutions alternatives, basées sur des architectures performantes ou l'exploitation logicielle des performances, sont à considérer à part entière.

Si le marché des processeurs généralistes semble dominé par des sociétés bien implantées, la concurrence est ouverte dans le domaine des processeurs et des SoC spécialisés, ouvrant la voie à de véritables stratégies de niche permettant l'émergence de nouveaux acteurs.

Marché

Le marché est colossal puisqu'il s'agit d'équiper les objets «intelligents » de demain, et concerne de vastes secteurs d'application comme :

l'équipement informatique : ordinateurs et périphériques ;
l'électronique grand public : consoles de jeux, télévisions numériques, appareils photos, équipement audio et vidéo ;
l'automobile : électronique embarquée, équipements radio ;
les télécommunications : routeurs, téléphones mobiles, équipements multimédias portables, organiseurs ;
les cartes à puces : pour des applications de téléphonie, bancaires, de sécurité ;
le domaine médical ou biomédical pour des applications de surveillance (monitoring) par des biopuces.

Parmi les différents types de processeurs, on peut citer les exemples suivants :

les processeurs pour le traitement du signal (DSP) : leur application principale est le traitement du signal numérique (filtrage, extraction de signaux, etc.), en particulier image ou son. Aujourd'hui, ils sont au cœur des systèmes de radiocommunication et représentent, avec 68 %, un marché en pleine croissance. Les communications sans fil sont le principal débouché de ces processeurs ;
les processeurs graphiques : leur capacité double actuellement tous les six mois et permettent de traiter en temps réel des images réalistes 3D, ou bien encore des vidéos. La multiplication attendue (en particulier grâce à la généralisation du format MP4) d'applications interactives à base de données multimédias devrait contribuer à pousser les constructeurs à proposer des processeurs de plus en plus performants ;
la radio reconfigurable (ou radio logicielle - Software Defined Radio) : à base de puces généralistes et de fonctions logicielles, les « systèmes radio reconfigurables » permettent de capter et de traiter différents canaux de diffusion sans fil (téléphonie mobile, Wi-Fi, etc.) et permettent aux terminaux d'être « multistandards » ;
les processeurs réseau (network processors) optimisés pour une meilleure connectivité.

Degré de diffusion de la technologie :
Naissance	Diffusion	Généralisation

Domaines d'application :
fabrication de machines de bureau et de matériel informatique ; industries des équipements électriques et électroniques ; fabrication de composants électroniques ; services informatiques.

Acteurs

Disciplines scientifiques : matériaux, génie des procédés, informatique, électronique.

Compétences technologiques : audiovisuel, télécommunications, informatique, semi-conducteurs.

Pôles de compétitivité : System@tic (Île-de-France), Minalogic (Rhône-Alpes).

Liens avec (technologies) : ingénierie des systèmes embarqués, infrastructures et technologies pour réseaux de communication diffus, micro et nanocomposants, matériaux pour l'électronique et la mesure, RFID et cartes sans contact.

Principaux acteurs français

90 % des acteurs de la microélectronique en France sont implantés en Rhône-Alpes, en Paca, en Midi-Pyrénées et en Ile-de-France,

Centres de compétence : CEA-LETI (Grenoble, Crolles), CNRS-INP (Grenoble), I3S (Sophia Antipolis), IRCCyN (Nantes), Lasti (Lannion), ENS (Lyon), LIP6 (Paris), Insa (Lyon), Irisa (Rennes), Irit (Toulouse), Inria Rocquencourt, Inria Orsay (équipe Alchemy), Télécom Paris (LabSoc). Programmes de recherche : Medea+, Pidea, RNRT .

Industriels : ST Microelectronics (leader sur le marché des « SoC »), Atmel Grenoble (anciennement Thomson-CSF Semi-conducteurs) pour la production de processeurs et de systèmes ; Texas Instrument Europe (Villeneuve-Loubet) pour la conception de DSP pour les applications GSM (Global System for Mobile communication).

Exemples d'acteurs dans le monde :Intel (États-Unis), AMD (États-Unis), Sony (Japon), Toshiba (Japon), IBM (États-Unis), Hewlett Packard (États-Unis), WindRiver (États-Unis), TVIA Inc (États-Unis), ATI (Canada), NVIDIA (États-Unis).

Les principaux systèmes d'exploitation actuellement sur le marché sont issus des familles suivantes : Linux, PalmOS et Windows.

Commentaires

La bataille se joue à l'échelle européenne. Les enjeux revêtent un caractère stratégique : est-on prêt à assumer la disparition de leaders européens dans le domaine des semi-conducteurs ? Dans ce secteur hautement concurrentiel, soumis à de fortes pressions notamment capitalistique, et à une course effrénée à l'innovation, les positions de leader peuvent être rapidement bouleversées. La France dispose d'une position intéressante au niveau européen par l'intermédiaire de Crolles qui pourrait renforcer ses liens avec ses concurrents, mais néanmoins partenaires, de Dresde (Allemagne) et Louvain (Belgique) pour créer un pôle européen à l'échelle mondiale.