Architectural Exploration of KeyRing Self-Timed Processors

Les dernières décennies ont vu l'augmentation des performances des processeurs contraintes par les limites imposées par la consommation d'énergie des systèmes électroniques : des très basses consommations requises pour les objets connectés, aux budgets de dépenses électriques des serveurs, en passant par les limitations thermiques et la durée de vie des batteries des appareils mobiles. Cette forte demande en processeurs efficients en énergie, couplée avec les limitations de la réduction d'échelle des transistors—qui ne permet plus d'améliorer les performances à densité de puissance constante—, conduit les concepteurs de circuits intégrés à explorer de nouvelles microarchitectures permettant d'obtenir de meilleures performances pour un budget énergétique donné. Cette thèse s'inscrit dans cette tendance en proposant une nouvelle microarchitecture de processeur, appelée KeyRing, conçue avec l'intention de réduire la consommation d'énergie des processeurs. La fréquence d'opération des transistors dans les circuits intégrés est proportionnelle à leur consommation dynamique d'énergie. Par conséquent, les techniques de conception permettant de réduire dynamiquement le nombre de transistors en opération sont très largement adoptées pour améliorer l'efficience énergétique des processeurs. La technique de clock-gating est particulièrement usitée dans les circuits synchrones, car elle réduit l'impact de l'horloge globale, qui est la principale source d'activité. La microarchitecture KeyRing présentée dans cette thèse utilise une méthode de synchronisation décentralisée et asynchrone pour réduire l'activité des circuits. Elle est dérivée du processeur AnARM, un processeur développé par Octasic sur la base d'une microarchitecture asynchrone ad hoc. Bien qu'il soit plus efficient en énergie que des alternatives synchrones, le AnARM est essentiellement incompatible avec les méthodes de synthèse et d'analyse temporelle statique standards. De plus, sa technique de conception ad hoc ne s'inscrit que partiellement dans les paradigmes de conceptions asynchrones. Cette thèse propose une approche rigoureuse pour définir les principes généraux de cette technique de conception ad hoc, en faisant levier sur la littérature asynchrone. La microarchitecture KeyRing qui en résulte est développée en association avec une méthode de conception automatisée, qui permet de s'affranchir des incompatibilités natives existant entre les outils de conception et les systèmes asynchrones. La méthode proposée permet de pleinement mettre à profit les flots de conception standards de l'industrie microélectronique pour réaliser la synthèse et la vérification des circuits KeyRing. Cette thèse propose également des protocoles expérimentaux, dont le but est de renforcer la relation de causalité entre la microarchitecture KeyRing et une réduction de la consommation énergétique des processeurs, comparativement à des alternatives synchrones équivalentes.