ZEP : vers des capteurs moins gourmands en énergie pour l’IoT

L'avènement de l’Internet des Objets (IoT) fait évoluer depuis quelques années notre quotidien, créant de nouvelles opportunités dans divers domaines comme l'environnement, l’industrie, la domotique, la ville intelligente ou encore la santé et la mobilité. De nombreux objets intelligents, qui détectent en permanence leur environnement, communiquent entre eux par voie hertzienne, prennent des mesures pour réagir à la situation ambiante ou fournissent des informations, nous entourent ainsi quotidiennement.

Pourtant, la taille de ces objets, leur coût de maintenance et leur situation dans l’espace, représentent aujourd’hui de véritables problématiques pour le secteur de l’Internet des Objets. Ceux-ci doivent ainsi, d’une part, être de plus en plus petits pour pouvoir être embarqués dans de petits objets, tout en nécessitant de voir leurs piles ou batteries changées lorsque nécessaire. Une tâche qui peut s’avérer écrasante si, par exemple, des milliers de capteurs sans fil sont intégrés dans chaque bâtiment, voire impossible s’ils sont dans des endroits difficiles d'accès comme l'intérieur des murs.

Des réflexions qui amènent aujourd’hui les acteurs de l’IoT à s’intéresser au besoin de supprimer les batteries dans l’informatique embarquée, notamment grâce à l'utilisation de techniques de collecte d'énergie dans l’environnement et de systèmes à base de mémoire vive non volatile (NVRAM).

ZEP, un Défi autour de la conception de la prochaine génération de capteurs

Les compilateurs et systèmes d'exploitation existants n’étant jusqu’ici pas conçus pour un tel usage (dans beaucoup de contextes, les système basés sur de la collecte d’énergie dans l’environnement doivent subir des coupures fréquentes, car l'énergie collectée dans l’environnement est très faible, tandis que les NVRAM ne sont pas en mesure de conserver les données lorsque l’ordinateur s’éteint), de nouvelles mémoires non volatiles efficaces, capables d’aller vite tout en gardant leur mémoire lorsque l'alimentation est coupée, ont vu le jour. Une technologie qui pourrait notamment se révéler décisive pour les futurs dispositifs IoT à faible consommation.

C’est sur ces réflexions que s’est construit le Défi ZEP (Zero-power computing systems), composé de quatre équipes Inria (Socrate, Taran (ex.Cairn), Pacap, et Corse), ainsi que des chercheurs des laboratoires CEA Lialp et Lisan du CEA-Léti et du CEA-List.

Lancé en 2017, ZEP s’est ainsi attaché à prototyper des capteurs de nouvelle génération, basés sur la récolte d'énergie dans l’environnement et la gestion de la mémoire vive. « L’un des points de départ principaux du projet était d’explorer les implications de l’utilisation de ce genre de technologie, soit en d’autres mots qu’est-ce que ça change pour les systèmes de calculs, quels qu’ils soient », indique Kévin Marquet, avant d’ajouter « l’un des espoirs derrière les NVRAM, c’est de consommer beaucoup moins d’énergie pour l’informatique embarquée. »

Le travail scientifique du Défi s’est donc organisé en trois axes : une architecture matérielle spécifique basée sur la NVRAM, une passe de compilateur dédiée qui calcule la consommation d'énergie dans le pire des cas, et enfin un système d'exploitation gérant la NVRAM et l'énergie, assurant la cohérence de la mémoire en cas de coupure de courant.

Quatre ans plus tard, ZEP a donné lieu à plusieurs résultats significatifs. « Nous avons été les premiers au monde à faire un système d’exploitation capable de gérer l’intermittence de ce genre d’objet », indique Kévin Marquet.

Le projet a ainsi mis en évidence l’importance de gérer la coupure de courant de manière globale, ce que personne ne faisait jusqu’ici. « Ça n’a pas de sens de continuer un calcul après une coupure de courant, si on ne sait faire que garder les données dans la RAM, car dans l’informatique embarquée les calculs sont faits sur la base des informations captées par le périphérique. Il y a plein de choses à faire pour que toutes les parties du système de calcul (multiples périphériques, mémoire, processeur) se retrouvent dans un état cohérent » ajoute-t-il.

Plus globalement, les résultats de ZEP ont permis de démontrer le potentiel de ces futurs systèmes d’exploitation, capables de gérer l’intermittence d’utilisation des capteurs basés sur la récolte d’énergie dans l’environnement.