FR2928496A1 - Dispositif d'alimentation d'un circuit electrique, en particulier d'un circuit numerique - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un dispositif d'alimentation d'un circuit électronique (10) apte à appliquer au circuit électronique au moins une première tension (Vhigh) ou une seconde tension (Vlow) différente de la première tension.Ce dispositif comprend notamment un contrôleur de performance (22) apte à recevoir une information définissant une contrainte (C) et à déterminer une première durée et d'une seconde durée telles que le fonctionnement du circuit à une première fréquence (Fhigh) associée à la première tension (Vhigh) pendant la première durée et à une seconde fréquence (Flow) associée à la seconde tension (Vlow) pendant la seconde durée respecte ladite contrainte (C).Le dispositif applique (24, 20, 14) au circuit (10) la première tension (Vhigh) et la première fréquence (Fhigh) pendant la première durée, et la seconde tension (Vlow) et la seconde fréquence (Flow) pendant la seconde durée.

Description

La présente invention est relative à un dispositif d'alimentation d'un circuit électronique, en particulier d'un circuit numérique. Afin d'optimiser l'alimentation d'un circuit électronique (en particulier dans le cas des circuits numériques), il a été proposé d'adapter l'alimentation aux performances requises à un instant donné du fonctionnement du circuit électronique. La conception actuelle de nombreux circuits électroniques, en particulier numériques (et notamment ceux réalisés en technologie CMOS), est en effet telle que l'énergie consommée pour réaliser un ensemble donné d'opérations augmente avec la tension d'alimentation utilisée, imposée quant à elle par la fréquence à laquelle on souhaite faire travailler le circuit. Il est ainsi apparu possible d'optimiser la consommation d'énergie en adaptant la tension d'alimentation à un niveau aussi faible que possible, mais suffisant pour assurer un fonctionnement sûr au niveau de performance souhaité (c'est-à-dire, pour un circuit synchrone, à la fréquence d'horloge souhaitée). L'article "Low-Power Operation Using Self-Timed Circuits and Adaptive Scaling of the Supply Voltage", de L.S. Nielsen et al. in journal I.E.E.E VLSI volume 2, numéro 4, décembre 1994, a ainsi pu introduire la notion d'adaptation de la tension d'alimentation (en anglais "Adaptive Voltage Scaling") dans le contexte de systèmes en logique asynchrone. L'adaptation de la tension d'alimentation à la fréquence de travail de circuits numériques synchrones a également été proposée, notamment dans les articles "A Dynamic Voltage Scaled Microprocessor System", de T.D. Burd et al., in journal I.E.E.E JSSC volume 35, numéro 11, novembre 2000 et "Closed-Loop Adaptive Voltage Scaling Controller for Standard-Cell ASICs", de S. Dhar et al. in actes de ISLPED, août 2002.

D'autres solutions ont été proposées plus récemment dans cette même lignée, notamment dans l'article "Dynamic Voltage and Frequency Management fora Low-Power Embedded Microprocessor", de M. Nakai et al. in journal I.E.E.E JSSC volume 40 numéro 1, janvier 2005, ainsi que dans l'article "Next Generation SoC Power Management", de J. Pennanen et al. in journal Electronics Product Design, mars 2007. Si ces systèmes permettent d'optimiser la consommation électrique en adaptant la tension d'alimentation aux contraintes de performance du circuit électronique (exprimées en général en termes de fréquence de fonctionnement requise par les applications mises en oeuvre par le circuit électronique), ils nécessitent en revanche, du fait même de leur conception, un module d'alimentation apte à délivrer tout au long du fonctionnement une tension variable sur une plage continue de valeurs, généralement réalisé sous forme d'un convertisseur continu-continu.

La présence d'un tel module pose problème quelle que soit la technologie envisagée : l'utilisation de hacheurs externes n'est naturellement pas adaptée à l'intégration de l'ensemble des éléments dans un circuit intégré ; l'utilisation de hacheurs internes est très couteuse (en termes de surface de substrat ou du fait des procédés utilisés) à cause de la présence de nombreux composants passifs ; les convertisseurs linéaires souffrent quant à eux d'un faible rendement. Dans ce contexte, l'invention propose un dispositif d'alimentation d'un circuit électronique apte à appliquer au circuit électronique au moins une première tension ou une seconde tension différente de la première tension, caractérisé en ce qu'il comprend : - des moyens de détermination d'une première fréquence associée à la première tension en fonction d'au moins un paramètre de fonctionnement du circuit ; - des moyens de réception d'une information définissant une 30 contrainte ; - des moyens de détermination d'une première durée et d'une seconde durée telles que le fonctionnement du circuit à la première fréquence pendant la première durée et à une seconde fréquence associée à la seconde tension pendant la seconde durée respecte ladite contrainte ; - des moyens d'application aptes à appliquer au circuit la première tension et la première fréquence pendant la première durée, et la seconde 5 tension et la seconde fréquence pendant la seconde durée. Ainsi, selon la pondération relative de la première durée et de la seconde durée, le point de fonctionnement moyen du circuit peut être réglé à l'intérieur d'un ensemble continu de points de fonctionnement, afin notamment de s'adapter au mieux à la contrainte reçue, et tout en utilisant un nombre 10 discret (en général égal à deux) de tensions disponibles, et ce en tenant compte des conditions de fonctionnement du circuit. On peut prévoir également que les moyens de détermination de la première fréquence soient aussi aptes à déterminer la seconde fréquence en fonction d'au moins un paramètre de fonctionnement du circuit, afin d'utiliser 15 également une seconde fréquence optimisée aux conditions courantes de fonctionnement. Ces moyens peuvent utiliser des moyens de mesure dudit paramètre au sein du circuit électronique, dont plusieurs exemples sont donnés dans la description qui suit. 20 Selon un mode de réalisation envisageable, les moyens d'application comprennent un sélecteur de fréquence recevant un premier signal d'horloge ayant la première fréquence et un second signal d'horloge ayant la seconde fréquence, et appliquant au circuit électronique le premier signal d'horloge pendant la première durée et le second signal d'horloge pendant la seconde 25 durée. Selon un autre mode de réalisation envisageable, les moyens d'application comprennent un générateur d'horloge apte à générer et à appliquer au circuit électronique une première horloge ayant la première fréquence pendant la première durée et une seconde horloge ayant la seconde 30 fréquence pendant la seconde durée. Les moyens d'application peuvent comprendre également un sélecteur de tension recevant la première tension et la seconde tension, et appliquant au circuit électronique la première tension pendant la première durée et la seconde tension pendant la seconde durée. Ce sélecteur de tension comprend selon une possibilité de mise en oeuvre : - des moyens pour appliquer au circuit électronique une tension variable d'une valeur égale à la première tension à une valeur égale à la seconde tension ; - des moyens pour sélectionner l'application de la seconde tension sur le circuit électronique lorsque la tension variable atteint la seconde tension.

Le sélecteur de tension peut alors également comprendre : - des moyens pour appliquer la tension variable au circuit électronique lorsque la seconde tension est appliquée ; - des moyens pour supprimer l'application de la seconde tension lorsque la tension variable est appliquée ; - des moyens pour commander la tension variable d'une valeur égale à la seconde tension à une valeur égale à la première tension. La tension variable n'est dans ce cas appliquée que lors des phases de transition entre la première tension et la seconde tension (phases de courte durée par rapport à la durée totale du fonctionnement) ; cette tension variable peut donc par exemple être générée au moyen d'un convertisseur linéaire sans conséquence notable sur le rendement pris sur la durée totale du fonctionnement. La contrainte est par exemple temporelle (et exprimée dans ce cas sous forme d'un temps ou d'une fréquence), bien que d'autres possibilités soient envisageables, comme une contrainte en puissance moyenne consommée. Le circuit électronique est souvent en pratique un circuit numérique, par exemple réalisé en technologique CMOS. L'invention propose également, de manière originale en soi, un dispositif d'alimentation d'un circuit électronique apte à appliquer au circuit électronique au moins une première tension ou une seconde tension différente de la première tension, caractérisé en ce qu'il comprend : -des moyens de réception d'une information définissant une contrainte ; -des moyens de détermination d'un premier nombre de cycles d'horloge et d'un second nombre de cycles d'horloge tels que le fonctionnement du circuit à une première fréquence associée à la première tension pendant le premier nombre de cycles d'horloge et à une seconde fréquence associée à la seconde tension pendant le second nombre de cycles d'horloge respecte ladite contrainte ; - des moyens d'application aptes à appliquer au circuit la première tension et la première fréquence pendant le premier nombre de cycles d'horloge, et la seconde tension et la seconde fréquence pendant le second nombre de cycles d'horloge. On peut prévoir en outre dans ce cas des moyens de synchronisation aptes à synchroniser (le début de) l'application de la première tension et (le début d') un traitement à effectuer avec ladite contrainte. Le nombre total de cycles d'horloge nécessaire au traitement est alors par exemple prédéterminé ; la contrainte peut en pratique être le temps dans lequel on souhaite effectuer le traitement. Les caractéristiques optionnelles mentionnées plus haut s'appliquent également dans ce contexte. On peut en outre prévoir ici que les fréquences susmentionnées soient prédéterminées (par exemple à la conception du système ou lors d'une phase de calibration du circuit) afin d'assurer un fonctionnement sûr de celui-ci en tenant compte des variabilités et dérives envisageables, et mémorisées éventuellement au sein des moyens de détermination. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront mieux à la lumière de la description qui suit, faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 représente les éléments principaux d'un système conforme aux enseignements de l'invention ; - la figure 2 représente un tel système selon un premier exemple d'application ; - la figure 3 illustre les variations de tension d'alimentation et de fréquence d'horloge présentes lors de la mise en oeuvre du système de la figure 2; - la figure 4 représente un second exemple d'application de l'invention ; - la figure 5 présente des chronogrammes illustrant le fonctionnement du système de la figure 4. La figure 1 représente les éléments d'un dispositif d'alimentation d'un coeur fonctionnel 10, par exemple un circuit électronique synchrone réalisé en 10 logique numérique CMOS. Les éléments de ce dispositif décrit dans la suite peuvent être rassemblés au sein du même circuit intégré que le coeur fonctionnel 10, et par conséquent réalisés en technologie CMOS. En variante, tout ou partie de ces éléments pourrait toutefois être réalisé sous forme de module externe au coeur 15 fonctionnel 10. On décrit par ailleurs dans la suite le dispositif d'alimentation sous forme d'éléments fonctionnels. Plusieurs fonctions pourraient toutefois être réalisées par un même élément dans certains modes de mise en oeuvre. On considère ici que tout circuit numérique synchrone est capable de 20 fonctionner à une fréquence maximum Finax réelle, que cette fréquence ne peut être mesurée directement et qu'elle varie dans le temps selon des facteurs intrinsèques et extrinsèques. Les facteurs intrinsèques sont la variabilité du procédé de fabrication et le vieillissement ; les facteurs extrinsèques sont la tension d'alimentation et la température. 25 On considère également que faire fonctionner le circuit plus vite que cette fréquence provoque des fautes de délais qui conduisent à la corruption de la fonction du circuit. Le dispositif d'alimentation de la figure 1 comprend un contrôleur d'adaptation 12 qui reçoit d'une part une tension haute Vh;gh et une tension 30 basse Vlo,, et pilote d'autre part des sondes 30, 31, 32, situées physiquement au sein du coeur 10 afin de mesurer des paramètres de fonctionnement de celui-ci.

La communication entre les sondes 30, 31, 32 et le contrôleur d'adaptation 12 (notamment pour piloter les sondes et remonter la valeur des paramètres surveillés vers le contrôleur) peut se faire par tout moyen approprié, par exemple à l'aide de signaux analogiques, numériques ou une quelconque combinaison de ces types de signaux. Le contrôleur d'adaptation 12 pilote donc les sondes 30, 31, 32 et recueille les valeurs des paramètres de fonctionnement mesurées par ces sondes, dans le but notamment de comparer ces valeurs à des valeurs de calibration mémorisées par exemple dans une mémoire non volatile associée au contrôleur d'adaptation, ou à des valeurs produites par des sources de référence (typiquement fréquence, tension ou courant de référence). Sur la base des valeurs mesurées et éventuellement des comparaisons effectuées, le contrôleur d'adaptation estime alors pour chacune des tensions d'alimentation envisagées dans le dispositif (c'est-à-dire ici pour la tension haute Vhigh et la tension basse Vlo,) quelle fréquence maximum Finax_pratique peut être utilisée en pratique sans nuire à un fonctionnement sûr du système. Cette estimation d'une fréquence associée à chaque valeur de tension d'alimentation peut être réalisée grâce à des techniques connues de détermination de couple tension-fréquence permettant un fonctionnement sûr du système comme décrit par exemple dans l'article, par exemple par simulation ou par calibration au moyen d'un test en vitesse réalisé après fabrication du circuit. On remarque toutefois qu'il est prévu ici la détermination d'une fréquence de fonctionnement pour chaque source de tension disponible, et non l'adaptation de la tension à une fréquence souhaitée. En pratique, on peut se baser sur une estimation pessimiste de la fréquence maximum Finax réelle déjà mentionnée telle qu'obtenue par simulation, puis déterminer à l'aide des mesures si les conditions instantanées de fonctionnement sont favorables ou non, et, enfin, calculer pour chaque source de tension une fréquence Finax estim aussi proche d'une estimation optimiste de la fréquence Finax réelle que ces conditions de fonctionnement le permettent, en prenant en compte l'imprécision des mesures.

Par ailleurs, afin de compenser l'évolution dans le temps des sources de variation, l'estimation des fréquences maximum pratiques Finax estim associées à chaque tension d'alimentation devra être réalisée à intervalles régulier, avec une période dépendant des constantes de temps des variations à compenser. Sur la base des fréquences maximum pratiques Finax estim déterminées comme indiqué ci-dessus, le contrôleur d'adaptation 12 commande des générateurs d'horloge 16, 18 (et précisément ici un premier générateur d'horloge 16 associé à la tension basse Vi0W et un second générateur d'horloge 18 associé à la tension haute Vhigh) afin que chacun de ceux-ci fournissent en sortie un signal d'horloge (ici respectivement H10W et Hhigh) ayant la fréquence déterminée par le contrôleur d'adaptation 12. Un contrôleur de performance 22 reçoit les différents signaux d'horloge H,o,, Hhigh et détermine la fréquence (respectivement Flo,,,,, Fhigh) de chacun de ces signaux, par exemple à l'aide d'un signal de fréquence de référence Fref. Le contrôleur de performance 22 pourrait également en variante recevoir les valeurs de fréquence associées à chaque tension d'alimentation directement du contrôleur d'adaptation 12. La solution proposée en figure 1 permet toutefois au contrôleur de performance 22 de travailler sur les signaux d'horloge effectivement générés, tels qu'ils sont appliqués au coeur 10 comme décrit dans la suite. Le contrôleur de performance reçoit également une information C représentant une contrainte de performances, par exemple fréquentielle ou temporelle, à respecter par le dispositif d'alimentation. Cette contrainte est déterminée par exemple par l'application (au sens "logicief') mise en oeuvre par le coeur 10, en fonction notamment des besoins de cette application. En fonction des fréquences F10W et Fhigh mesurées des signaux H10W et Hhigh et de l'information de contrainte C, le contrôleur de performance 22 détermine les durées respectives d'application des deux tensions d'alimentation, ici par exemple sous forme du ratio X entre le temps d'application de la tension haute Vhigh et le temps cumulé d'application des deux tensions, permettant de respecter au mieux la contrainte définie dans l'information C. On peut par exemple prévoir dans le cas où C est une contrainte exprimée sous forme fréquentielle Ftarget que le système est dimensionné de sorte que cette contrainte fréquentielle Ftarget est comprise entre les valeurs envisageables de F10W et de Fhigh, ce qui permet d'obtenir un ratio X compris entre 0 et 1. On peut prévoir également que le contrôleur de performance 22 impose un fonctionnement à la tension haute Vhigh et à la fréquence correspondance Fhigh lorsque la contrainte C ne sera pas atteinte malgré un fonctionnement continue à cette dernière fréquence Fhigh (c'est-à-dire un ratio X=1) et que la contrainte ne peut donc pas être respectée (par exemple si Ftarget > Fhigh) ; le dispositif peut dans ce cas indiquer à l'entité émettrice de la contrainte C que cette contrainte ne peut être respectée, l'entité émettrice de la contrainte pouvant soit modifier le fonctionnement du coeur 10 afin de diminuer la contrainte C, soit en variante commander une augmentation de la tension Vhigh sur les systèmes où cette tension est ajustable. On peut en outre prévoir dans le cas où la contrainte C est inférieure à la fréquence F10W associée à la tension basse V10W de travailler en permanence à la tension basse V10W et la fréquence associée F10W (X=0), ou en variante de commander le générateur d'horloge 16 de manière à réduire la fréquence (tout en conservant la tension basse V,o,, ce qui ne pose pas de problème de fonctionnement), ou bien encore de basculer l'alimentation dans un état de veille pendant une partie du temps permettant de respecter cette contrainte C inférieure à Flo,,,,. Le ratio X déterminé par le contrôleur de performance 22 est transmis à un séquenceur de transition 24 qui pilote un sélecteur de tension 14 et un sélecteur de fréquence 20 (à l'aide respectivement d'une commande en tension hopv et d'une commande de fréquence hopF) de telle sorte que les sélecteurs 14, 20 appliquent respectivement la tension haute Vhigh et le signal d'horloge associé Hhigh pendant la durée définie par le contrôleur de performance 22 (ici une proportion X du temps), et la tension basse V10W et le signal d'horloge H10W associé pendant une autre durée également définie par le contrôleur de performance 22, ici le reste du temps (soit une proportion de 1-X du temps). Dans ce contexte, le séquenceur de transition 24 assure notamment que ne soient jamais simultanément appliqués (en particulier pendant les phases de transition) la tension basse V10W et le signal d'horloge Hhigh associé à la tension haute Vhigh (ce qui serait problématique pour le fonctionnement du circuit). Le sélecteur de tension 14 reçoit d'une part la tension Vhigh et d'autre part la tension V10W et applique au coeur 10 l'une de ces deux tensions en fonction du signal de commande hopv. De même, le sélecteur de fréquence 20 reçoit séparément les signaux d'horloge H10W et Hhigh et applique l'un de ces signaux d'horloge au coeur 10 selon la commande hopF. Sur la figure 1, on a référencé Vcore la tension appliquée au coeur 10 par le sélecteur de tension 14 et Hcore le signal d'horloge de fréquence Fcore appliqué au coeur 10 par le sélecteur de fréquence 20. Selon la mise en oeuvre pratique choisie pour les sélecteurs 14, 20, on pourra conserver un fonctionnement continu du coeur 10 pendant les phases de transition entre les deux valeurs de tension qui viennent d'être indiquées, ou au contraire interrompre le fonctionnement du coeur 10 pendant ces transitions, par exemple au moyen d'une information de synchronisation synchro échangée entre le coeur 10 et le séquenceur de transition 24. Dans ce dernier cas, le contrôleur de performances 22 prendra en compte le temps d'interruption du fonctionnement du coeur 10 lors de la détermination des différentes durées d'application de chaque tension dans le but de respecter la contrainte C. Ainsi, bien qu'il utilise les tensions disponibles (ici seulement deux tensions Vhigh et V,o,), le dispositif d'alimentation peut fonctionner de manière optimisée et adaptée à une contrainte C (qui peut quant à elle varier sur une plage continue de valeurs) grâce à la pondération variable du temps d'utilisation d'une source de tension par rapport à l'autre et à la performance variable (et donc adaptable à la contrainte) qui en découle.

On a représenté sur la figure 2 un mode de réalisation de l'invention dans une application où la contrainte à respecter est exprimée sous forme d'une fréquence de fonctionnement requise par le processus mis en oeuvre par le coeur numérique 110.

On a attribué à chaque élément de la figure 2 une référence numérique augmentée de 100 par rapport à l'élément ayant la même fonction en figure 1. Dans ce mode de réalisation, un contrôleur d'adaptation 112 pilote une sonde de tension 130 et une sonde de température 131.

La sonde de tension 130 mesure la tension d'alimentation effectivement reçue par le coeur 110, c'est-à-dire tenant compte des chutes locales d'alimentation dues à la résistivité de la grille d'alimentation. La tension mesurée par la sonde 130 est comparée à une tension de référence Vref et peut ainsi être convertie au sein du contrôleur d'adaptation 112 en une valeur numérique représentative de cette tension mesurée. La sonde de température 131 permet également d'obtenir une information numérique représentant la valeur de la température mesurée. Pour ce faire, la sonde de température 131 mesure par exemple en pratique la tension aux bornes d'une diode polarisée en direct par un courant de référence (la tension aux bornes de la diode variant en fonction de la température) ; la tension mesurée peut dans ce cas également être convertie sous forme d'une information numérique de température au sein du contrôleur d'adaptation 112. Le coeur 110 étant soumis à deux tensions d'alimentation différentes comme expliqué en détail dans la suite, le contrôleur d'adaptation 112 doit pouvoir distinguer entre les différentes phases d'alimentation afin de déterminer à quelle tension souhaitée correspond la tension mesurée. Pour ce faire, on peut par exemple prévoir une communication entre le contrôleur d'adaptation 112 et le séquenceur de transition 124 décrit plus loin (comme représenté en pointillés sur la figure 2) ou d'autres éléments détenant une information sur la tension appliquée (tel que par exemple le sélecteur de tension 114). En variante, on peut prévoir que le contrôleur d'adaptation 112 détermine la tension d'alimentation concernée (Vhigh ou Vi0) en fonction de la tension mesurée et d'un seuil (par exemple égal à V,ow puisque la tension mesurée sera en principe inférieure à la tension appliquée du fait notamment des chutes d'alimentation déjà mentionnées). On peut par ailleurs prévoir que le contrôleur d'adaptation 112 considère comme non valable une mesure au cours de laquelle la tension mesurée varie de manière notable (pour éviter le cas où la mesure a lieu pendant la phase de transition entre les deux tensions d'alimentation comme décrit ci-après). Sur la base de la température mesurée et des tensions d'alimentation effectives mesurées (une valeur mesurée pour chaque tension possible d'alimentation, ici Vhigh et V,ow), le contrôleur d'adaptation 112 détermine les fréquences maximums pratiques Finax estim_high et Finax_estim_low respectivement associées à la tension haute Vhigh et à la tension basse V,ow, par exemple à l'aide de tables mémorisées dans une mémoire non volatile associée au contrôleur d'adaptation 112, ou en variante en fonction de formules déterminées par les caractéristiques de la technologie utilisée. Dans le cas de l'utilisation de tables mémorisant les valeurs de fréquence maximum pratique associées à des couples tension-température mesurées, il est possible d'effectuer au cours d'une phase de démarrage du circuit numérique des tests visant à déterminer la fréquence maximale de fonctionnement sûr du coeur 110 à la température ambiante et pour une pluralité de tensions dans le but de mettre à jour en partie la table précitée. Ces tests (généralement dénommés "auto-tests") consistent par exemple à vérifier le bon fonctionnement du coeur 110 avec des fréquences croissantes pour retenir la fréquence la plus élevée ayant assurée un fonctionnement sûr du coeur 110, en gardant toutefois de préférence une marge d'incertitude pour parer à d'éventuelles dérives du système. Les fréquences maximums pratiques ainsi déterminées Finax estim iow et Finax estim_high associées respectivement à la tension basse V,ow et à la tension haute Vhigh sont respectivement transmises à un premier générateur d'horloge 116 et à un second générateur d'horloge 118.

Les générateurs d'horloge 116, 118 sont par exemple chacun de type à verrouillage de fréquence (ou FLL de l'anglais "frequency locked loop") et réalisés au moyen d'un oscillateur local commandé en tension à faible gigue et d'une boucle de contrôle qui asservit la fréquence générée par rapport à la consigne de fréquence reçue et à une fréquence de référence Fref reçue par chacun des générateurs d'horloge 116, 118. Chaque générateur d'horloge 116, 118 émet à destination d'un contrôleur de performance 122 une information représentant la fréquence actuellement générée par ce générateur d'horloge (information désignée F10W pour le générateur d'horloge 116 et Fhigh pour le générateur d'horloge 118). Les signaux d'horloge H10W et Hhigh générés respectivement par le premier générateur d'horloge 116 et par le second générateur d'horloge 118 sont appliqués en entrée d'un sélecteur de fréquence 120 dont le fonctionnement est décrit ci-après.

Le contrôleur de performance 122 reçoit donc des informations représentant les fréquences respectivement générées par le premier générateur 116 et le second générateur 118, c'est-à-dire respectivement associés à la tension basse Vi0W et à la tension haute Vhigh. Le contrôleur de performance 122 reçoit également, par exemple sous forme d'une information codée numériquement, la fréquence Ftarget de fonctionnement requise par le processus mis en oeuvre par le coeur 110 (qui exprime dans la présente application la contrainte que doit respecter le dispositif d'alimentation). Les dimensionnements du circuit lors de sa conception sont tels que cette contrainte fréquentielle Ftarget est comprise entre les fréquences F10W et Fhigh des horloges H10W et Hhigh et le contrôleur de performance 122 peut ainsi déterminer une proportion X (en pourcents) du temps de calcul total telle que la fréquence moyenne effective Feff = X.Fhigh + (1-X). F10W soit supérieure à la fréquence objectif Ftarget. La fréquence moyenne effective Feff obtenue en faisant travailler une proportion X du temps total le coeur 110 à la fréquence Fhigh, et le reste du temps à la fréquence Flow, est ainsi supérieure à l'objectif, et permet donc de respecter la contrainte définie par celui-ci.

On choisi par exemple Feff suffisamment supérieure à Ftarget (par exemple de 1 % à 10 % supérieure) pour tenir compte des périodes de transition entre deux phases de fonctionnement (le fonctionnement du coeur 110 pouvant dans certains cas être interrompu durant ces périodes de transition). La proportion X ainsi déterminée est transmise au séquenceur de saut 124 qui pilote d'une part le sélecteur de fréquence 120 (au moyen de la commande hopF) de manière à appliquer successivement au circuit 110 les deux horloges Hhigh et H10W afin d'obtenir les proportions temporelles qui viennent d'être définies, comme représenté sur la figure 3, et d'autre part le sélecteur de tension 114 (sous la commande du signal hopv) de telle sorte que celui-ci applique la tension Vhigh au coeur 110 simultanément à l'horloge Hhigh et la tension basse V10W simultanément à l'horloge H10W (voir également la figure 3), ce qui optimise à chaque instant la puissance consommée.

La figure 3 (où est notée Fcore la fréquence de l'horloge Hoore appliquée au coeur 110 par le sélecteur de fréquence 120) illustre un exemple de fonctionnement possible obtenu grâce au séquenceur de saut 124 : dans cet exemple, le séquenceur de saut 124 fonctionne avec une période Thop. A un instant t = 0, le séquenceur 124 commande les sélecteurs 114, 120 afin de passer d'un mode de fonctionnement à la tension V10W et à la fréquence F10W à un mode de fonctionnement à la tension Vhigh et à la fréquence Fhigh, en basculant tout d'abord la tension grâce au sélecteur 114, puis la fréquence grâce au sélecteur de fréquence 120. A un temps t = X.Thop, le séquenceur 124 commande les sélecteurs 114, 120 afin de passer du mode à tension Vhigh et fréquence Fhigh au mode de tension V10W et de fréquence Flow, en basculant d'abord la fréquence puis la tension. Du fait du fonctionnement périodique déjà mentionné, le séquenceur de saut effectue à l'instant t = Thop la même opération qu'à l'instant t = 0, et ainsi de suite. On comprend que, par exception, le séquenceur de saut 124 commande les sélecteurs 114, 120 afin d'assurer un fonctionnement constant à la tension Vhigh et à la fréquence Fhigh lorsque la proportion X vaut 100%, tandis qu'il commande un fonctionnement constant à la tension V10W et à la fréquence Flow lorsque la proportion X vaut O. Le sélecteur de tension 114 est par exemple du type décrit dans l'article "A Power Supply Selector for Energy- and Area-Efficient Local Dynamic Voltage Scaling" de S. Miermont et al. in actes de PATMOS, septembre 2007. Le sélecteur de fréquence 120 est par exemple du type "sans aléa" comme décrit dans le brevet US 6,501,304. Un tel sélecteur de tension permet, durant une phase de transition, d'appliquer au circuit électronique une tension variable d'une valeur égale à une première tension (V,o, ou Vhigh) à une valeur égale à l'autre tension, puis de sélectionner l'application de l'autre tension sur le circuit électronique lorsque la tension variable a atteint cette autre tension, ce qui permet une alimentation continue du circuit électronique.

Ce sélecteur de tension permet de gérer les phases de transition inverses en appliquant la tension variable au circuit électronique lorsque cette autre tension est appliquée, en supprimant l'application de cette autre tension lorsque la tension variable est appliquée et en commandant la tension variable d'une valeur égale à cette autre tension à une valeur égale à la première tension. Le fonctionnement qui vient d'être décrit permet ainsi une alimentation du coeur 110 à la fréquence moyenne effective Feff mentionnée plus haut, tout en optimisant à chaque instant le couple tension-fréquence utilisé, et en ayant seulement recours à deux sources de tension. On remarque à cet égard que la tension variable dont l'utilisation est proposée dans l'exemple décrit ci-dessus n'est utilisée que pendant les brèves phases de transition et que l'on peut donc avoir recours à un convertisseur linéaire pour la génération de cette tension variable sans conséquence notable sur le rendement électrique (la tension générée par le convertisseur lors des phases de fonctionnement à la tension Vhigh correspondant à la tension maximale de celui-ci et n'impliquant donc pas de pertes résistives).

La figure 4 représente un mode de réalisation de l'invention appliqué au cas où le coeur fonctionnel (ici référencé 210) est un bloc recevant périodiquement (c'est-à-dire tous les Tdata) des données d'entrée, puis disposant d'un temps maximum Ttarget (parfois dénommé "latence du bloc") pour traiter ces données d'entrée (le traitement nécessitant N cycles d'horloge) et communiquer les données traitées au bloc suivant. Sur la figure 4, les éléments ayant une fonction correspondante à un élément de la figure 1 portent une référence augmentée de 200 par rapport à cet élément de la figure 1.

Les sondes 230, 231, 232 utilisées dans ce mode de réalisation sont des oscillateurs en anneau, tels que décrits par exemple dans l'article "Product-Representative 'at Speed' Test Structures for CMOS Characterization", de B.M. Ketchen et al., in IBM Journal of Research and Development, volume 50, n°4/5, juillet 2005.

On utilise par exemple en pratique un oscillateur avec des liaisons "fils longs" 230, un oscillateur à base de transistors à haute tension de seuil 231 et un oscillateur à base de transistors à basse tension de seuil 232. On pourrait également utiliser par exemple un oscillateur avec des éléments capacitifs. Un contrôleur d'adaptation 212 mesure régulièrement la fréquence de chacun des oscillateurs 230, 231, 232, au moyen notamment d'une fréquence de référence Frefi. Lors de la phase de conception, on a simulé le fonctionnement du coeur 210 afin de déterminer les variations de sa fréquence maximum de fonctionnement en fonction notamment de la tension d'alimentation et de la température. On connaît par ailleurs, par exemple grâce au même type de simulation, les variations de la fréquence de chacun des oscillateurs mentionnés ci-dessus en fonction des mêmes paramètres (tension d'alimentation et température notamment) de telle sorte que l'on peut déterminer les fréquences maximum utilisables Finax estim_high et Finax_estim_low respectivement à la tension haute Vhigh et à la tension basse V,ow comme une fonction (par exemple selon une modélisation simplifiée, une somme pondérée) des différentes fréquences des oscillateurs 230, 231, 232. Les simulations de type Monte-Carlo peuvent par exemple être utilisées dans ce cadre.

Les fréquences de fonctionnement Finax_estim_high et Finax_estim_low

associées chacune à une des tensions fixes d'alimentation Vhigh et V,ow sont transmises d'une part à un générateur d'horloge 220, par exemple réalisé par une boucle à verrouillage de phase (ou PLL de l'anglais "Phase Locked Loop") recevant un signal de référence Fref2 et d'autre part à un contrôleur de performance 222.

Sur la base de ces informations Finax estim_high et Finax estim_low et d'une

information Ttarget représentant la latence du bloc, le contrôleur de performance 222 détermine le nombre de cycles d'horloge auquel le coeur 210 doit travailler à la fréquence haute Finax_estim_high (parmi les N cycles d'horloge nécessaires au traitement des données comme mentionné ci-dessus), en tenant compte également du temps de transition Ttransition nécessaire au passage d'un mode de fonctionnement à l'autre, de sorte que le temps de traitement n'excède pas le temps cible Ttarget. Cela revient à dire que le contrôleur de performance 222 détermine le nombre K qui vérifie :

K NùK Tt arg et = + F + Ttransition F max estim_high max estim_low Le nombre K de cycles de fonctionnement à la fréquence

Finax_estim_high (et donc à la tension Vhigh) est communiqué par le contrôleur de performance 222 à un séquenceur de saut 224 qui commande le générateur d'horloge 220 au moyen d'un signal hopF de sorte que le générateur 220 travaille à la fréquence Finax_estim_high (reçue du contrôleur d'adaptation 212) pendant les K premiers cycles d'horloge du traitement et à la fréquence Finax estim iow (également reçue du contrôleur d'adaptation 212) pendant les N-K cycles suivants. On synchronise pour ce faire le fonctionnement du séquenceur de saut 224 et celui du coeur 210, par exemple par échange d'une information de synchronisation (référencée synchro en figure 4).

Comme déjà mentionné, on peut prévoir une phase de transition de durée Ttransition pour tenir compte de la constante de temps d'asservissement de la boucle du générateur 220 ; le fonctionnement du coeur 210 sera par exemple dans ce cas interrompu pendant cette phase de transition et les N cycles d'horloge seront donc formés de K cycles avant la période de transition et de N-K cycles après la période de transition, comme représenté en figure 5. Le séquenceur de saut 224 commande également un sélecteur de tension 214 de manière à ce que celui-ci applique la tension haute Vhigh pendant les K premiers cycles d'horloge et la tension basse V10W le reste du temps, notamment donc pendant la fin du traitement des données (N-K cycles) et pendant les phases d'attente des prochaines données à traiter (temps de latence Ttarget écoulé mais période de réception Tdata non écoulée), comme bien visible en figure 5 (où A représente l'activité du coeur 210 et où on a négligé la temps de transition Ttransition). Le sélecteur de tension 214 est par exemple du type décrit dans l'article "VDD-Hopping Accelerator for On-Chip Power Supplies Achieving Nano-Second Order Transient Time", de K. Onizuka et al., in actes ASSCC novembre 2005, qui permet notamment une interruption du bloc lors de la transition évoquée ci-dessus. Les modes de réalisation qui précèdent ne sont que des exemples possibles de mise en oeuvre de l'invention. Ainsi par exemple, bien qu'on ait envisagé ci-dessus une contrainte temporelle (exprimée sous forme de fréquence ou de temps de latence à respecter), la contrainte pourrait être de nature différente ; il pourrait s'agir par exemple d'une contrainte de puissance moyenne consommée (la durée de fonctionnement à fréquence haute étant limitée de sorte à respecter cette contrainte).

Claims (11)

REVENDICATIONS

1. Dispositif d'alimentation d'un circuit électronique (10; 110; 210) apte à appliquer au circuit électronique au moins une première tension (Vhigh) ou une seconde tension (V,ow) différente de la première tension, caractérisé en ce qu'il comprend : - des moyens de détermination (12; 112; 212) d'une première fréquence (Fhigh; Fhigh_ pratique) associée à la première tension (Vhigh) en fonction d'au moins un paramètre de fonctionnement du circuit ; - des moyens de réception (22; 122; 222) d'une information définissant une contrainte (C; Ftarget; Ttarget) ; - des moyens de détermination (22; 122; 222) d'une première durée et d'une seconde durée telles que le fonctionnement du circuit à la première fréquence (Fhigh; Finax_estim_high) pendant la première durée et à une seconde fréquence (Flow; Finax estim Dow) associée à la seconde tension (V,ow) pendant la seconde durée respecte ladite contrainte (C; Ftarget; Ttarget) ; - des moyens d'application (24, 20, 14; 124, 120, 114; 224, 220, 214) aptes à appliquer au circuit (10; 110; 210) la première tension (Vhigh) et la première fréquence (Fhigh; Finax_estim_high) pendant la première durée, et la seconde tension (V,ow) et la seconde fréquence (Flow; Finax estim Dow) pendant la seconde durée.

2. Dispositif d'alimentation selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de détermination (12; 112; 212) de la première fréquence (Fhigh; Fhigh_ pratique) sont aptes à déterminer la seconde fréquence en fonction d'au moins un paramètre de fonctionnement du circuit.

3. Dispositif d'alimentation selon la revendication 2, caractérisé par des moyens de mesure (30, 31, 32; 130, 131; 230, 231, 232) dudit paramètre au sein du circuit électronique (10; 110; 210).

4. Dispositif d'alimentation selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens d'application comprennent un sélecteur de fréquence (20; 120) recevant un premier signal d'horloge (Hhigh) ayant la première fréquence (Fhigh) et un second signal d'horloge (H,ow) ayant la seconde fréquence (Flow), et appliquant au circuit électronique (10; 110) le premier signal d'horloge (Hhigh) pendant la première durée et le second signal d'horloge (H,ow) pendant la seconde durée.

5. Dispositif d'alimentation selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens d'application comprennent un générateur d'horloge (220) apte à générer et à appliquer au circuit électronique (210) une première horloge ayant la première fréquence (Finax_estim_high) pendant la première durée et une seconde horloge ayant la seconde fréquence (Finax estim Dow) pendant la seconde durée.

6. Dispositif d'alimentation selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les moyens d'application comprennent un sélecteur de tension (14; 114; 214) recevant la première tension (Vhigh) et la seconde tension (V,ow) et appliquant au circuit électronique (10; 110; 210) la première tension (Vhigh) pendant la première durée et la seconde tension (V,ow) pendant la seconde durée.

7. Dispositif d'alimentation selon la revendication 6, caractérisé en ce que le sélecteur de tension comprend : - des moyens pour appliquer au circuit électronique une tension variable d'une valeur égale à la première tension à une valeur égale à la seconde tension ; - des moyens pour sélectionner l'application de la seconde tension sur le circuit électronique lorsque la tension variable atteint la seconde tension. 30

8. Dispositif d'alimentation selon la revendication 7, caractérisé en ce que le sélecteur de tension comprend :- des moyens pour appliquer la tension variable au circuit électronique lorsque la seconde tension est appliquée ; - des moyens pour supprimer l'application de la seconde tension lorsque la tension variable est appliquée ; - des moyens pour commander la tension variable d'une valeur égale à la seconde tension à une valeur égale à la première tension.

9. Dispositif d'alimentation selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ladite contrainte est temporelle.

10. Dispositif d'alimentation selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le circuit électronique est un circuit numérique.

11. Dispositif d'alimentation selon l'une des revendications 1 à 10, 15 caractérisé en ce que le circuit électronique est réalisé en technologique CMOS.10