Coffre-fort temporel
Nous allons nous intéresser aux horloges dites embarquées, celles que l'on pourrait mettre avec du silicium, base de nos processeurs de calcul.
C'est le seul moyen d'être sûr pour éviter d'avoir à faire confiance au monde extérieur.
En réalité, pas besoin de l'heure absolue, mais uniquement d'un délai, c'est-à-dire le temps écoulé entre deux évènements. À la charge du programmeur de calculer le délai en fonction de la date courante et de la date de libération souhaitée.
La difficulté, pour notre application, c'est la sécurité matérielle. Comment protéger l'horloge et son alimentation de manière efficace et pas trop couteuse ?
Horloges embarquées
Garder le temps localement n'est pas un problème nouveau : nos montres font ça quotidiennement, et nous savons que le problème n'est pas résolu totalement en termes de :
- Précision
- Consommation d'énergie
Pour mesurer le temps, on utilise systématiquement un oscillateur, qu'il soit mécanique ou électronique. Il existe essentiellement deux types d'oscillateurs électroniques :
- des oscillateurs à quartz
- des oscillateurs sans quartz, éventuellement manufacturable entièrement avec des technologies silicium.
On oubliera les horloges atomiques, qui, même avec les efforts réalisés pour les rendre miniatures, ne sont pas vraiment sécurisables du point de vue matériel, ou du moins, il faudra vraiment beaucoup d'efforts pour y arriver.
Comment la sécuriser matériellement ?
Le quartz offre l'avantage d'avoir une fréquence d'oscillation relativement stable, bien que dépendant de la température, pour un coût de fabrication modique. C'est souvent pire avec les oscillateurs en silicium, mais ceux-ci s'améliorent.
On arrive à des précisions de l'ordre de 20 ppm, soit 10 minutes par an, avec le quartz.
La dépendance avec la température est éventuellement gênante du point de vue sécurité si une haute précision est requise, puisque l'on peut ralentir ou accélérer l'horloge en modifiant la température du système. À ne pas oublier lors de la spécification du système.
Consommation électrique des RTC
Quelle est la puissance requise pour faire marcher un oscillateur ? Quelle taille de pile faudra-t-il ?
Des circuits spécialisés sont vendus pour conserver l'heure, on les appelle RTC Real-Time Clocks. Ce sont les fabricants de puces électroniques silicium qui les conçoivent.
Quelques exemples de consommation :
- MicroCrystal : 45 nA, embarque le crystal
- Cymbet : 20 nA avec une horloge RC
- Texas Instruments : 30 nA au mieux
Quelle est la taille d'une batterie pour une dizaine d'années ?
À 20 nA, en une heure il nous faudra 20 nA.h. En un an, on a 8766 heures, soit 175 µA.h, pour 10 ans on arrive à 1.7 mA.h, ou encore 6 coulombs.
on voit immédiatement que c'est bien trop vulnérable.
Les plus petites piles boutons font 5 mm de diamètre et 2 mm d'épaisseur et embarquent une dizaine de mA.h. Souvent ces piles ont une auto-décharge plus grande que la consommation électrique requise.
Les supercapacités présentent une autodécharge plus importante que les batteries, et leur densité volumique d'énergie est moins bonne que le chimique.
Sécurité matérielle
La sécurité matérielle sera difficile à assurer :
- Un quartz est relativement gros, ce qui est plus difficile à protéger contre les intrusions.
- La taille de la pile n'est pas micrométrique, peu compatible avec une puce silicium, et donc tout aussi difficile à protéger.
- Quartz et piles sont sensibles à la température, par exemple on pourrait accélérer ou ralentir l'horloge en la mettant au congélateur ou au four.
- Un blindage contre les champs électromagnétiques, ou simplement électrostatiques sera requis.
Malheureusement, on ne pourra pas compter sur l'environnement pour récupérer de l'énergie. que ce soit solaire, thermique ou autre, il faut être totalement autonome.
Horloge avec une batterie nucléaire ?
On sait faire des sources électriques basées sur l'énergie nucléaire, en particulier des batteries betavoltaïques.
Ces batteries peuvent produire une cinquantaine de microwatt, à comparer aux quelques microwatt requis pour la consommation d'une RTC.
Certaines technologies de batterie betavoltaïque sont compatibles CMOS, une simple diode permet de collecter l'énergie.
Voici une première solution: une horloge embarquée en silicium, alimentée par une source radioactive.
Mais on peut mieux faire.
Une horloge sans batterie
Il existe un phénomène dépendant du temps : la désintégration radioactive. Par exemple la datation au carbone 14 et sa demi-vie.
La désintégration radioactive est un phénomène aléatoire qui suit une loi particulière de décroissance.
Ce phénomène naturel ne requiert aucune énergie.
Il "suffit" de mesurer la radioactivité au départ, et calculer le niveau de radioactivité que l'on aura après le délai souhaité avec la formule de décroissance.
On mesure alors périodiquement ou au moment souhaité, pour savoir si le délai s'est écoulé.
Entre deux mesures, aucune énergie n'est dépensée.
De plus, ce phénomène ne dépend pas de la température car il se situe au niveau du noyau atomique.
Comment utiliser la demi-vie en pratique et de manière sécurisée ?