La miniaturisation de l'électronique permet de concevoir des appareils plus puissants dans des plus petits boîtiers, ce qui est appliqué massivement dans les systèmes informatiques modernes. Les premiers modèles d'ordinateurs occupaient des étages entiers d'immeubles, un peu comme les systèmes de calcul intensif d'aujourd'hui, mais alors que les super ordinateurs n'ont pas changé, les volumes de données qu'ils peuvent traiter ont augmenté de manière exponentielle. La réduction des composants électroniques permet non seulement d'accroître la puissance des appareils électroniques, mais aussi de réduire leur taille.
Les appareils de plus petite taille sont plus pratiques pour le consommateur et le casque audio constitue un bel exemple en la matière. Les premiers casques étaient grands, encombrants et peu pratiques à transporter. Au fur et à mesure que la technologie a évolué, les casques sont devenus plus petits jusqu'à s'ajuster confortablement dans les oreilles. Aujourd'hui, grâce aux améliorations technologiques, ces appareils à porter dans l'oreille peuvent même être sans fil.
La miniaturisation de l'électronique ne se limite pas à réduire la taille des composants, il faut aussi réduire la source d'énergie des appareils. Cela nous amène au constat suivant concernant les sources d'alimentation : en diminuant la taille d'une source d'énergie, la quantité d'énergie qu'elle peut stocker diminue aussi. Les concepteurs d'appareils électroniques d'aujourd'hui jouent donc fréquemment au jeu du chat et de la souris avec l'électronique moderne, car ils doivent à la fois réduire la source d'alimentation et la consommation d'énergie des appareils pour préserver l'autonomie de la batterie.
Ainsi, vers quel horizon futur les concepteurs peuvent-ils se tourner pour créer des appareils encore plus petits et que peuvent-ils faire aujourd'hui alors que ces technologies continuent à se développer ?
Technologies de batterie
Les concepteurs ont a leur disposition une multitude de technologies de batterie, mais il n'en reste plus qu'une possible pour les appareils portables miniatures, à savoir : le lithium-ion (Li-ion). La technologie Li-ion actuelle permet de concevoir des batteries à haute densité d'énergie qui peuvent être chargées rapidement. Cela permet de concevoir des batteries Li-ion de taille nettement plus petite que d'autres technologies (telles que les batteries alcalines et au plomb-acide), mais cela a un prix.
Lithium-ion
Les batteries Li-ion nécessitent plusieurs systèmes de sécurité, car elles peuvent être endommagées facilement. Lorsque cela se produit, le résultat peut être extrêmement violent. Lorsque des batteries Li-ion sont percées ou endommagées, cela provoque presque systématiquement un court-circuit interne entre leurs électrodes. Un court-circuit suffisamment grand peut à son tour générer du gaz d'hydrogène et de la chaleur. Dans ce cas, la batterie gonfle, libère de l'hydrogène et prend feu. Cet incendie peut endommager tout ce qui se trouve à proximité et occasionner des incendies supplémentaires dans d'autres batteries.
État solide
Les batteries à l'état solide constituent une nouvelle technologie en cours de développement qui pourrait très rapidement remplacer les batteries Li-ion actuelles (qui utilisent de l'électrolyte liquide). Comme leur nom le suggère, les batteries à l'état solide sont entièrement constituées de matériaux solides. Cela les rend nettement plus résistantes aux dommages et aux courts-circuits internes. De plus, des chercheurs pensent que les batteries à l'état solide sont plus sûres et sont capables de stocker davantage d'énergie, ce qui permet donc de réduire leur taille.
Néanmoins, les batteries à l'état solide ne sont pas dépourvues de faiblesses. L'une des principales est la formation de dendrites internes. Les batteries à l'état solide à base de lithium ont tendance à former de petits cristaux sur leurs anodes, qui grandissent vers les cathodes (ce phénomène porte le nom de dendrite). Lorsque ces cristaux entrent en contact avec la cathode, ils provoquent un court-circuit dans la cellule, qui s'arrête alors de fonctionner.
Super condensateurs
super condensateurs constituent une autre option susceptible d'alimenter des appareils dans le futur, grâce à leur capacité à stocker de grandes quantités d'énergie à basse tension. De plus, les super condensateurs peuvent se charger et se décharger extrêmement vite, ce qui les rend parfaits pour les systèmes qui nécessitent des charges rapides ou qui doivent subitement stocker de grandes quantités d'énergie (comme un système de freinage régénératif).
Cette technologie de super condensateur présente néanmoins l'inconvénient de ne pas pouvoir stocker l'énergie à la même échelle que la plupart des autres technologies de batterie. Elle risque donc de ne pas être capable de fournir le stockage d'énergie à long terme dont les appareils haute puissance ont besoin. En outre, la rapidité de décharge augmente les risques de sécurité et la possibilité de générer des étincelles à partir d'un court-circuit.
Autres sources d'alimentation
Alors que les batteries stockent l'énergie, la production d'énergie à la volée peut être nettement plus avantageuse. Les opérateurs ne doivent pas se rappeler de charger l'appareil et la technologie peut être installée à distance et à l'écart de toute source d'alimentation, ce qui accroît considérablement la sécurité.
Solaire
De petites cellules solaires sont fréquemment utilisées dans les calculatrices, qui peuvent facilement fonctionner à la lumière du jour et sous un éclairage de bureau. Bien que ces cellules ne soient pas capables de produire suffisamment de puissance pour des appareils intelligents tels que les ordinateurs portables, elle peuvent facilement être utilisées pour alimenter des petits appareils tels que des capteurs IoT et des montres de sport qui se portent au poignet. N'espérez toutefois pas qu'à long terme les technologies solaires alimentent quelque chose qui nécessite plus de 1 W de puissance.
Hydrogène comprimé
L'hydrogène comprimé pourrait constituer une autre solution de stockage d'énergie pour le futur. Lorsque l'hydrogène et l'oxygène traversent une membrane spéciale à échange de protons, il est possible de produire directement de l'électricité. Ce processus extrêmement efficace peut tirer profit de la densité d'énergie offerte par l'hydrogène. Cependant, le stockage de l'hydrogène comprimé, même dans un petit appareil portable, présente des problèmes de sécurité similaires à ceux des batteries Li-ion. En outre, la taille de ces cellules à carburant peut être difficilement réduite, ce qui implique que cette source d'alimentation n'est pas viable pour les prochaines décennies.
Thermique
L'énergie thermique peut être directement convertie en énergie électrique par l'effet Peltier. Des chercheurs sont parvenus à créer des sources d'énergie de la taille d'un anneau à porter au doigt et la différence de température entre l'air et le corps est suffisante pour créer de l'électricité. Cependant les générateurs Peltier sont réputés être inefficaces, car ils ne peuvent fonctionner efficacement qu'avec une grande différence de température (environ 80 ˚C).
Radiations
La radiation constitue une autre source d'énergie future et des chercheurs ont conçu des prototypes de batteries de diamant qui convertissent directement la désintégration radioactive en électricité. Une batterie conçue avec cette technologie peut être miniaturisée et fournir de l'énergie pendant des générations sans nécessiter la moindre recharge. Cependant, ce type de source d'alimentation ne fournit que de minuscules quantités d'énergie (nanowatts). Elle présente aussi un danger potentiel pour l'environnement.
Techniques de réduction de consommation d'énergie
Les concepteurs qui cherchent à créer des appareils plus petits aujourd'hui ne peuvent utiliser que les technologies de batterie éprouvées, c'est-à-dire essentiellement le lithium-ion. Cependant, tout n'est pas perdu, car ces batteries sont disponibles dans des très petites tailles. L'astuce consiste à trouver un moyen de réduire le plus possible la consommation d'énergie de l'appareil de manière à allonger l'autonomie de la batterie.
L'énergie, c'est de l'énergie et elle dépend totalement du temps
La première chose que les concepteurs doivent comprendre, c'est que l'énergie n'a aucun rapport avec le temps. Un appareil peut utiliser une grande quantité d'énergie pendant un court instant ou bien une petite quantité d'énergie pendant longtemps et globalement, l'appareil utiliserait alors exactement la même quantité d'énergie.
Ce concept peut être utilisé pour réduire significativement la consommation d'énergie des appareils en déterminant à quel moment un appareil doit fonctionner et à quel moment il ne doit pas fonctionner. Par exemple, un appareil IoT qui fonctionne sur batteries avec une connexion Wi-Fi ne doit peut-être envoyer des données qu'une fois toutes les 10 secondes. Si tel est le cas, l'appareil peut passer 9,9 secondes de son temps opérationnel en mode de veille profonde, où la consommation d'énergie est minimisée. Ainsi la grande quantité d'énergie consommée pendant les transmission est moyennée sur les durées pendant lesquelles l'appareil n'est pas utilisé et cela permet de réduire considérablement la consommation d'énergie.
Réduction des vitesses d'horloge
De nombreux concepteurs travaillant avec des microcontrôleurs et microprocesseurs tentent d'exploiter le dernier mégahertz possible. Si cette technique est pratique pour les opérations gourmandes en données, elle est loin d'être idéale pour les conceptions portables et la réduction de la vitesse d'horloge peut entraîner d'importantes économies d'énergie.
La raison pour laquelle la réduction des vitesses d'horloge de la logique CMOS contribue à réduire la consommation d'énergie s'explique par le fonctionnement de cette logique CMOS. Pendant une logique 1 ou 0, le CMOS ne consomme pratiquement pas d'énergie, car l'entrée vers les portes du CMOS est un condensateur et les paires de transistor CMOS (P et N) fonctionnent de manière complémentaire. Cela signifie que pendant un état 1 ou 0, il n'y a pas de chemin entre l'alimentation et la masse (et il n'y a donc aucune énergie consommée). Cependant, pendant un changement d'état logique, un bref chemin est établi entre la masse et l'alimentation (pendant que le transistor traverse cette zone linéaire) et cela ouvre le chemin entre l'alimentation et la masse. Ce phénomène se produit quand de l'énergie est consommée et plus le transistor reste longtemps dans cette région, plus la quantité d'énergie consommée est importante.
Par conséquent, la réduction de la vitesse d'horloge d'un système peut contribuer à réduire la consommation d'énergie ; n'oubliez toutefois pas qu'une réduction de la vitesse d'horloge est associée à une diminution du nombre d'instructions exécutées par seconde, ce qui implique que l'exécution d'une tâche peut nécessiter plus de temps. Cela nous ramène au problème précédent de la consommation d'énergie : vous consommez moins d'énergie, mais vous avez toujours besoin de la même quantité d'énergie pour effectuer la tâche.
Le silicium personnalisé pourrait-il changer la donne ?
La technologie de silicium personnalisé et de chiplets pourrait permettre aux appareils d'atteindre d'importantes économies d'énergie. Le principal inconvénient de l'électronique en vente libre réside dans le grand nombre de périphériques inutilisés sur les puces, qui consomment inutilement de l'énergie. Cela peut inclure des instructions qui ne sont pas nécessaires, des périphériques prenant en charge des bus inutilisés et des circuits génériques qui ne sont pas exploités dans la conception finale.
Bien que de nombreux fabricants de microcontrôleurs offrent la possibilité de désactiver ces zones pour réduire la consommation d'énergie, de l'espace silicium précieux est toujours occupé par du matériel inutile, ce qui, en soi, réduit l'efficacité de la conception. Les appareils en silicium personnalisé permettent toutefois aux concepteurs de sélectionner précisément le matériel dont ils ont besoin dans leur conception, ce qui leur permet de réduire significativement la taille de leurs puces ou d'utiliser la totalité de l'espace en silicium.
Des conceptions personnalisées peuvent être créées de diverses manières, y compris en concevant le silicium (ASIC) proprement dit ou en choisissant des dés de silicium préfabriqués et en les montant dans un seul ensemble. Il est plus probable que l'on utilise les dés de silicium préfabriqués, car ils sont bien plus faciles à fabriquer et à assembler tout en étant aussi plus économiques.
Conclusion
Bien qu'il existe de nombreuses options d'alimentation pour les appareils portables, peu d'entre elles sont crédibles. Au fur et à mesure que l'électronique se miniaturise, les besoins en énergie diminuent aussi (les transistors de plus petite taille consomment moins d'énergie) ; cependant le nombre accru de transistors augmente la consommation d'énergie globale.
Par conséquent, les concepteurs pourraient se fier davantage à des techniques d'économie d'énergie telles que la diminution de la vitesse d'horloge ou le retrait du matériel inutile. Il se pourrait aussi que dans le futur l'électronique prenne la forme d'appareils personnalisés et que des circuits entiers soient fabriqués sur un seul ensemble sans utiliser de pièces ou de composants externes tandis que ces appareils seraient commandés comme des cartes de circuits imprimés.
