Le Near-Threshold Voltage pour des CPU aux millivolts

Intel a montré une architecture processeur demandant 10 mV au repos et 500 mV en charge. C’est au moins 50 % de mieux que les puces d’aujourd’hui qui demandent au minimum 1V. Le système d’Intel utilise un circuit qui peut fonctionner à la limite de la tension de seuil, réduisant ainsi les demandes électriques. Sa technologie Near-Threshold Voltage devrait se retrouver sur ses puces mobiles ainsi que ses processeurs single-chip cloud computer (SCC) qui intègrent aujourd’hui 48 cores. Il affirme pouvoir ainsi réduire la consommation électrique de ses puces par 5.

Faire dans le détail

Les transistors ont tous une tension de seuil. Il s’agit de la tension de grille qui va permettre de passer de l’état off à l’état on. En dessous du seuil, le courant ne passe pas. Au-dessus du seuil, il passe. Aujourd’hui, les processeurs utilisent des tensions largement supérieures à leur tension de seuil, car il est très difficile de distinguer le changement d’état du bruit parasite qui peut exister. Très schématiquement, il est beaucoup plus facile de connaître l’état d’un transistor lorsque le courant qui le traverse a une tension qui passe de 400 mV à 1 V que lorsque l’on bascule de 400 mV à 500 mV. De plus, les processus de fabrications peuvent faire varier la tension de seuil entre transistors, compliquant la situation.

Un Pentium simplifié en démonstration

Intel aurait néanmoins réussi à fabriquer un circuit capable de fonctionner à une tension proche de celle de la tension de seuil, d’où le nom de Near-Threshold Voltage. Il aurait tellement perfectionné ses méthodes de fabrication qu'il est capable de produire des transistors ayant un seuil de tension très précis. Il peut se limiter à une tension de seulement 100 mV au dessus de la tension de seuil. Néanmoins, la puce en démonstration ne disposait que d’un cache L1 et utilisait de nouvelles méthodes de fabrication pour pouvoir tolérer des variations de tensions proches de celles de la tension de seuil. Il a enfin agrandi l’écart entre la tension minimale appliquée et la tension maximale en abaissant la première.

La puce en démonstration répondait au nom de code Claremont. Il s’agissait d’un Pentium disposant d’une architecture in-order, mais Intel affirme que sa technologie fonctionne avec les structures out-of-order d’aujourd’hui. Pour mémoire, seul l’Atom utilise encore une architecture in-order chez Intel et il devrait passer à du out-of-order en 2013 avec les Silvermont. Très rapidement, l’exécution out-of-order permet de réarranger l’ordre des instructions à traiter pour optimiser les ressources du processeur et éviter de gâcher des cycles d’horloge, ce qui arrive lorsque l’on exécute les instructions dans l’ordre dans lequel elles apparaissent dans le programme. Le processeur en démonstration ne sera pas commercialisé.