Pour des raisons liées autant au facteur de forme qu’au coût ou à la maintenance, il est peu pratique d’utiliser des câbles, voire des batteries, pour alimenter les systèmes embarqués. Certains travaux de recherche ont donc pour but de concevoir des dispositifs communicants autonomes, qui ne sont alimentés ni par batterie ni par câble : nous parlons ici d’objets connectés « net zéro ».
On peut par exemple citer la radio-identification (ou RFID) passive, qui utilise des tags (étiquettes électroniques) sans batterie. Elles comprennent uniquement une puce et une antenne, et sont alimentées au moment de la lecture des données par un lecteur. Cette technologie est donc très extensible sur le plan énergétique : un seul lecteur peut être utilisé pour un nombre infini d’étiquettes. Les applications activées par la RFID passive sont cependant limitées, car les étiquettes ne peuvent pas communiquer si le lecteur ne se trouve pas à proximité, et le lecteur consomme généralement plus d’énergie qu’un objet connecté basique (en mode actif).
2.10
2.10_Architecture matérielle de faible puissance, programmation et compilation
Certaines recherches se concentrent sur le développement de nouveaux équipements IoT sans batterie qui récoltent l’énergie ambiante, par exemple la lumière, la chaleur, les vibrations/mouvements ou les ondes radio. Un tel procédé fournit toutefois des niveaux de courant très faibles. Il faut donc mettre au point des objets connectés « net zéro » permettant de consommer le moins d’énergie possible.
Des techniques de contrôle de la puissance (ou “power gating”) permettent de couper le courant au niveau des blocs du circuit qui ne sont pas utilisés. De même, l’utilisation d’une mémoire non volatile (ou NVM) comme la mémoire RAM non volatile (NVRAM) permet théoriquement à un appareil de subir des coupures de courant sans perte de données et de poursuivre sa tâche sans avoir à la redémarrer du début. Les technologies NVM actuelles impliquent des processus d’écriture lents, énergivores, avec une endurance limitée. Dans ce domaine, les enjeux de la recherche reposent donc sur la conception de nouveaux matériels capables non seulement de récolter plus efficacement l’énergie ambiante mais aussi d’offrir de meilleurs niveaux de fonctionnement avec le très faible courant dérivé.
Il est également important de travailler à la conception de logiciels et de protocoles réseau performants et robustes pouvant être exécutés sur ce type de matériel. Concernant les chaînes d’outils utilisées dans ce but, l’un des défis consiste à concevoir des compilateurs capables, dans le cadre de la programmation de dispo-sitifs embarqués alimentés par intermittence, de mieux assister les programmeurs par le biais d’une analyse des programmes. Cette analyse des programmes est indispensable pour identifier des stratégies de checkpointing efficaces, c’est-à-dire déterminer quel état de programme doit être mis en mémoire et quand.
↗ L’équipe-projet PACAP d’Inria travaille sur des compilateurs et des analyses de programmes conçus pour faciliter le checkpointing sur des systèmes alimentés par intermittence.
L’architecture des logiciels embarqués pose quant à elle d’autres défis.
Le remplacement de la RAM traditionnelle par la RAM non volatile a, par exemple, des effets secondaires indésirables sur le système embarqué. Les inter-ruptions étant fréquentes (pour mise en veille), elles peuvent survenir au cours de la modification d’une structure de données non volatile. Et lorsque la plate-forme se réinitialise, le programme redémarre alors avec des données incohérentes.
C’est ce qu’on appelle le problème de la « machine à remonter le temps cassée ».
En fait, il est susceptible de survenir sauf si tous les bits de tous les éléments mémoire d’un système (c’est-à-dire l’unité centrale et la mémoire, mais aussi les
périphériques !) sont rendus nonvolatils. Toutes les couches logicielles sont donc impactées par ces choix architecturaux.
Les enjeux principaux dans ce cadre consistent à
• assurer la cohérence des données, en évitant les pertes de performance excessives, ce qui implique de concevoir de nouvelles techniques d’exécution et de compilation ;
• concevoir un système multitâche performant dans un contexte où les coupures de courant sont fréquentes ;
• concevoir des protocoles réseau exploitant l’énergie ambiante, tout en évitant une perte de performance trop importante lorsque les nœuds du réseau se réinitialisent très fréquemment ;
• assurer un service ininterrompu face à une connectivité et/ou une alimentation intermittente(s) des objets connectés.
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Schéma d’une carte d’expérimentation comprenant un micro-contrôleur avec NVRAM.
© Inria / Photo C. Morel.
↗ L’équipe-projet SOCRATE d’Inria travaille à la conception d’architectures logicielles embarquées robustes compatibles avec la récupération d’énergie et l’alimentation intermittente sur des objets connectés « net zéro ».
2.10_Architecture matérielle de faible puissance, programmation et compilation
↗ ZEP est un projet de recherche interdisciplinaire lancé par Inria pour la conception de minuscules objets connectés sans fil et sans batterie, qui récoltent l’énergie dans leur environnement et s’appuient sur une nouvelle architecture à base de RAM non volatile (NVRAM). Pour pouvoir tirer profit des innovations matérielles liées à la récolte d’énergie et à la RAM non volatile, et pour optimiser l’utilisation de l’énergie, ZEP vise à concevoir de nouveaux mécanismes logiciels, actifs au moment de la compilation d’une part, et au moment de l’exécution d’autre part, en y associant des travaux sur l’architecture, la compilation et les systèmes d’exploitation.