Institut d'Électronique et de Télécommunications de Rennes
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E3S

Energy Efficiency of Electronic Systems (E3S)
Animateur : Romain BOURDAIS (ECC, CentraleSupélec)


Contexte
La maîtrise de l’énergie est l’un des enjeux majeurs actuels, comme le confirment les différents défis présentés par le ministère de l’enseignement supérieur et de la recherche dans sa stratégie nationale de recherche. Chaque système est ainsi conçu pour répondre au mieux aux besoins tout en consommant le moins possible. Mais, dans une vision plus globale et pour intégrer une disponibilité de l’énergie variable à cause des sources d’énergie renouvelables, les systèmes doivent aussi essayer - dans la mesure du possible - de faire coïncider production et consommation, sans dégrader leur qualité de service. Des degrés de liberté supplémentaires apparaissent grâce à l’émergence de systèmes de stockage de l’énergie. L’efficacité énergétique des systèmes passe ainsi par l’optimisation de l’adéquation Production/Consommation/Stockage (Figure 4.7.1).

Figure 4.7.1. Schéma général pour l’optimisation de l’adéquation Production/Consommation/Stockage.

Enjeux
Les systèmes électroniques ne font pas exception, mais leurs spécificités soulèvent de véritables challenges :

- D’un point de vue technologique, où il faut être capable de concevoir des micro-sources d’énergie et des dispositifs de stockage de cette énergie dans un environnement fortement contraint (encombrement, miniaturisation, etc.),

- D’un point de vue gestion, où il faut pouvoir piloter les différents éléments d’un système électronique, les coordonner, pour qu’ils assurent leurs fonctions tout en ayant une bonne qualité de service globale (dans un réseau de capteurs ou un système de contrôle d’un Smart Grid par exemple). Cette gestion et coordination reposent aussi sur des systèmes communicants, également consommateurs, et l’étude du lien entre communication, qualité de service et consommation est également un challenge,

- Enfin, dans une optique où les systèmes communicants doivent devenir autonomes en énergie, il faudra en outre s’assurer que les stratégies de pilotage développées sont issues de calculs également peu consommateurs en énergie.

Objectifs
Le programme transversal « E3S » a pour objectif de regrouper les compétences des différentes équipes de l’IETR pour pouvoir aborder le problème de l’efficacité énergétique des systèmes électroniques, et en particulier les systèmes communicants.

Il s’agit notamment de profiter de l’expérience des équipes FunMAT et MM dans leurs connaissances des technologies et matériaux innovants sur la partie production et stockage et ainsi définir les modes de fonctionnement et contraintes d’usage. En plus de la performance des technologies utilisées, il faudra être capable de prédire la production afin d’optimiser la coordination avec la partie consommatrice. Les spécificités des réseaux de communication sont bien connues des équipes SCEE et SYSCOM, et cette connaissance est cruciale pour bien comprendre les enjeux et besoins en termes de qualité de service. Une autre cible concerne les systèmes de traitement vidéo communicants, spécialités de l’équipe VAADER, pour lesquels le choix de la compression et de la résolution a un impact sur la consommation d’énergie et il faudra, en fonction des ressources disponibles, travailler autour du compromis qualité de service et consommation d’énergie. Ce programme transversal tirera parti des méthodes d’optimisation coordonnée développées par l’équipe AUT, en intégrant les spécificités et contraintes déterminées conjointement avec les autres équipes.

Équipes impliquées

- AUT : l’équipe AUT travaille depuis plusieurs années sur les mécanismes de coordination entre des producteurs d’énergie et des différents consommateurs à l’échelle du bâtiment et du quartier. Elle développera ici des stratégies de coordination, en cherchant la complémentarité avec les méthodes développées par les autres équipes (en particulier SCEE et SYSCOM). Les modèles et contraintes des micro-producteurs, dispositifs de stockage et des besoins énergétiques des consommateurs seront déterminées conjointement avec les autres équipes.

- FunMAT : la contribution de l’équipe FunMAT au programme transversal E3S, comme celle de l’équipe MM, consistera à proposer des matériaux performants en termes de récupération et de stockage de l’énergie et d’en dégager des modèles pour leur intégration en tant que producteurs d’énergie pour les systèmes électroniques. La première solution envisagée, et qui pourra servir de premier cas d’étude à ce programme transversal, sera développée à partir de couches minces piézoélectriques sur substrat flexible pour récupérer de l’énergie mécanique ambiante basse fréquence (<100 Hz).

- MM : la contribution de l’équipe MM s’inscrit, à l’instar de l’équipe FunMat, dans l’apport de solutions dans la production et le stockage d’énergie pour des systèmes communicants autonomes. Les sources ciblées sont la conversion photovoltaïque de la lumière, la conversion d’un gradient de température ou de l’énergie électromagnétique, permettant de définir un second cas d’étude pour E3S. Les spécificités de chacune de ces solutions devront ainsi être explicitées pour leur intégration dans les mécanismes de coordination développés dans E3S. La construction de ces deux cas d’étude renforcera nécessairement les échanges entre ces deux équipes sur la partie production.

- SCEE : SCEE mettra ses compétences au service de E3S en utilisant sa connaissance des systèmes radio non seulement pour aider la communication entre les divers composants (producteurs, consommateurs et système de coordination), mais aussi pour faire le lien entre qualité de service et consommation. La première cible visée est l’optimisation du fonctionnement des systèmes (HetNets, 5G, réseaux de capteurs, etc.) et des équipements radio sous contraintes de consommation, solutions qui intégreront les micro-producteurs développés dans E3S.

- SYSCOM : l’équipe SYSCOM travaille déjà sur de nombreuses problématiques d’amélioration de l’efficacité énergétique des systèmes de communications. Ces études sont menées aussi bien au niveau du composant (minimisation de la consommation), des algorithmes et des formes d’ondes (comme par exemple les techniques de réduction du PAPR de signaux multiporteuses ou les techniques de retournement temporel), des architectures radio ou des systèmes à travers une approche d’optimisation inter-couche dans un contexte de radio intelligente. L’équipe SYSCOM s’impliquera dans E3S à ces différents niveaux (composants, algorithmes, architectures, systèmes) et notamment sur les aspects méthodologiques (apprentissage machine, traitement statistique) pour améliorer le lien entre production et consommation afin de développer des solutions technologiques intégrant la récupération d’énergie.

- VAADER : l’équipe VAADER travaille sur l’optimisation énergétique des systèmes de traitement vidéo et plus particulièrement sur la compression vidéo. En lien avec les équipes SCEE et SYSCOM, l’équipe VAADER apportera un cas d’étude sur les systèmes de traitement vidéo communicants. La contribution de l’équipe VAADER au programme transverse E3S consistera à proposer des algorithmes de compression vidéo s’adaptant aux ressources énergétiques disponibles au sein du système. Ces techniques permettront d’explorer le compromis entre la qualité de service et la consommation d’énergie.






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