Et si la transition écologique du numérique commençait par les systèmes embarqués ?

La transition écologique a été le principal thème des 14e Assises de l’embarqué qui se sont tenues le 12 janvier dernier à distance, sous le haut patronage du ministre de l'Economie, Bruno Le Maire. Parce qu’ils sont le cœur de l’intelligence des équipements dans tous les secteurs industriels, les systèmes embarqués apparaissent comme la première brique de réduction de l’empreinte environnementale du numérique.

« Comment le numérique peut contribuer à la transition écologique ?, s’interroge en ouverture des Assises Julie Galland, sous-directrice du spatial, de l'électronique et logiciel à la Direction générale des entreprises (DGE). Le sujet fait débat. Mais l’embarqué a un rôle à jouer par un traitement au plus près des lieux de génération des données. C’est un axe pour réussir l’efficience énergétique de l’électronique. L’embarqué contribue déjà à la réduction de l’empreinte environnementale par le pilotage intelligent d’activités comme dans les smart cities ou le smart energy. »

27 milliards d'objets connectés en 2025

Les systèmes embarqués combinent matériel électronique et logiciel pour servir d’ordinateurs à des équipements variés : voitures, avions, trains, drones, robots, machines-outils, électroménager, jouets, instruments de mesure... Contrairement aux PC, tablettes et smartphones, ces systèmes sont enfouis dans les matériels qu’ils pilotent. Parce qu’ils irriguent toutes les applications, ils constituent un moteur d’innovation et de compétitivité dans tous les secteurs industriels, de l’automobile à la défense, en passant par l’aérospatial, le ferroviaire, le médical, les télécoms et l’énergie.

Tous les indices

Selon le rapport Green IT, le numérique représente 3,8% des émissions mondiales actuelles de gaz à effet de serre. Cette empreinte augmente de 6% par an. Le numérique devrait représenter près de 7,8% des émissions totales de gaz à effet de serre en 2030, l’équivalent des émissions du parc mondial des voitures. L’Internet des objets recèle donc de gros enjeux de réduction de CO2. S’il constitue le moteur de la dissémination de l’intelligence, et donc de l’efficacité dans tous les secteurs d’applications, il participe à l’augmentation de l’impact environnemental du numérique. Selon le cabinet IoT Analytics, le nombre d’objets connectés dans le monde pourrait grimper de 12 milliards en 2021, à plus de 27 milliards en 2025.

Capteurs ultra-compacts

Pour Philippe Flatresse, chef marketing produit chez Soitec, la sobriété électronique commence par le substrat sur lequel certains composants électroniques majeurs du système embarqué - comme le processeur, le microcontrôleur et les circuits radiofréquences - sont construits. Le substrat de silicium sur isolant FD-SOI de Soitec réduirait jusqu’à 75% la consommation d’énergie des composants par rapport au substrat traditionnel en silicium massif. STMicroelectronics utilise cette technologie pour certains de ces microcontrôleurs, des composants servant de cerveaux à une grande variété de systèmes embarqués.

Le recours à des capteurs pour comprendre et optimiser le fonctionnement du système offre le moyen d’agir sur l’impact environnement. C’est cette démarche que Schneider Electric applique, en tant que spécialiste de la gestion de l’énergie dans le bâtiment, le tertiaire et l’industrie. « Tous nos tableaux électriques sont connectés par défaut pour transmettre des données d’efficacité énergétique, de performance et de disponibilité vers le cloud, affirme Marc Chachereau, directeur technique pour l’Internet des objets et les systèmes connectés de Schneider. Pour capter ces données, nous avons besoin de capteurs ultra-compacts, qui s’intègrent facilement au plus près des charges. Le développement des capteurs est une grande révolution des systèmes embarqués au cours des dix à quinze prochaines années. L’un des enjeux est d’en réduire la consommation. »

La gestion de la batterie, un élément critique

Les capteurs sont également au cœur du système PIB de pilotage intelligent du bâtiment d’EDF. Développé en partenariat avec la start-up grenobloise Vesta Energy à Grenoble, il utilise l’Internet des objets et l’intelligence artificielle pour optimiser la consommation d’énergie dans les hôtels, commerces, salles de sport, écoles ou moyennes surfaces. Avec à la clé, une économie de 25% sur la facture d’énergie selon Gilles Cerardi, chef de projets innovation dans le pilotage de bâtiments intelligents.

« 90% des capteurs utilisés dans notre système fonctionnent de façon autonome avec de l’énergie récoltée dans l’environnement à partir de mouvement, du solaire... », précise-t-il. L’efficacité énergétique du système embarqué passe par une double optimisation, celle de l’électronique et celle du logiciel embarqué. Dans le logiciel, la brique de gestion de la batterie devient un élément critique pour réduire la consommation d’énergie, allonger la durée d’utilisation, diminuer la fréquence de remplacement de la batterie et baisser le coût total de possession.

Effets contraires de l'Internet des objets

Mais cette recherche de la sobriété énergétique nécessite de changer les méthodes de travail et de réinventer les usages. « La réduction de l’empreinte environnementale est indispensable, mais ne doit pas freiner le déploiement du numérique, qui a un effet de levier majeur pour la maîtrise de l’impact environnemental dans les autres secteurs », souligne Véronique Torner, vice-présidente en charge d’un numérique responsable au Numeum, le syndicat professionnel du numérique.

« Mais l’exercice n’est pas simple. L’Internet des objets permet de réduire l’impact environnemental dans les autres secteurs comme l’agriculture. Mais il utilise des appareils connectés avec des capteurs, batterie et connexions aux réseaux. Tout cela a un impact sur l’environnement. Il faut savoir mobiliser à bon escient les nouvelles technologies et s’interroger sur certains usages d’objets connectés BtoC », ajoute-t-elle. Les industriels vont devoir parvenir à naviguer entre sobriété énergétique et innovation.

L’edge computing, qui consiste à traiter les données au plus près des capteurs qui les génèrent, devient le nouveau cheval de bataille de la filière de l’embarqué. « C’est l’endroit où le signal physique devient data, explique Joël Rubino, directeur de l’activité intelligence artificielle dans l’edge chez STMicroelectronics. Il y 7 milliards humains et 200 milliards de machines, pas toutes connectées, dans le monde. Le débat porte sur les 200 milliards de machines qui produisent d’énormes quantités de données. Il faut se demander s'il est plus pertinent de traiter ces données dans le cloud ou dans l’edge ? Jusqu’ici, on faisait du cloud la seule solution. On peut maintenant le faire dans l’edge, avec un gain de consommation énergétique conséquente. »

Création d'un groupe de travail

D’autres avantages militent en faveur de l’edge computing : la réduction des temps de latence, ou la maîtrise de la sécurité des données. La diminution de la consommation énergétique découle de l’économie de bande passante des réseaux - on n’a pas à transmettre les données aux serveurs sur le cloud - et de la possibilité d’effectuer le traitement sur des processeurs frugaux, comme les microcontrôleurs, alors que les serveurs du cloud tournent sur des processeurs à hautes performances, très énergivores.

« Avec notre solution Edge AI, il devient possible de traiter les données des capteurs à l’intelligence artificielle sur un simple microcontrôleur STM32 de STMicroelectronics, qui ne consomme que quelques milliwatts, affirme Joël Rubino, instigateur de cette solution frugale à travers sa pépite Cartesiam, rachetée en juillet 2021 par STMicroelectronics. Nous proposons maintenant une pile matériel-logiciel cohérente en partant du substrat FD-SOI, jusqu’au logiciel d’implémentation de l’intelligence artificielle dans le microcontrôleur, pour rendre l’embarqué plus sobre et plus propre. »

Signe des enjeux de l’edge computing, Embedded France, l’association des acteurs de l’embarqué en France - présidée par Cédric Demeure -, a créé avec le pôle de compétitivité Systematic, un groupe de travail commun sur le sujet. Ce dernier est piloté par Eliane Fourgeau, directrice générale de Quantyss, et Frédéric Desbiens, gestionnaire de programme IoT et edge computing à la fondation Eclipse, dédiée au développement d’un environnement de production de logiciels libres.