CCC 2021 épisode 1: consommation Casio Graph 25/35/75+E

[critor]

Combien Consomme ma Calculatrice 2021

Épisode 1 - Casio Graph 25/35/75+E

Depuis quelques jours nous avons lancé le QCC 2021 Universel, au cours duquel nous te publions et alimentons la base de données intégrale de nos classements de rentrée QCC organisés depuis la rentrée 2015.

Voici aujourd'hui l'événement dans l'événement avec le lancement du CCC 2021, pour Combien Consomme ma Calculatrice.

Nous allons cette année nous intéresser à la consommation des seuls modèles à piles AAA, n'ayant pour le moment ni matériel ni protocole pour mesurer la consommation des modèles à batterie.

Mais pourquoi un tel sujet ? Le mardi 31 mars 2015, suite à une annonce sur leboncoin, nous avions réussi à te récupérer une Casio Graph 75+E, avant même l'annonce officielle de ce nouveau modèle. Les nouveautés comportaient un mode examen dont le bon fonctionnement était indiqué par le clignotement d'une diode examen. L'emballage annonçait une conformité à une nouvelle réglementation des examens à compter de 2018, alors non encore publiée. Le Bulletin Officiel avec les derniers textes officiels paraissant chaque jeudi matin il nous fallait faire vite. Nous t'avions donc testé la Graph 75+E tout notre mercredi après-midi, et finalisé la publication pour 2 heures du matin. Et nous avions bien fait, quelques heures plus tard la première circulaire relative au mode examen allait effectivement être publiée.

Une mention dans le guide de prise en main nous avait toutefois grandement surpris :

• La mise en place d'un jeu de piles neuves est recommandée avant d'utiliser le Mode Examen.
• La LED clignote lorsque la calculatrice est en mode Examen, de sorte que davantage d'énergie est utilisée. Veillez à quitter le mode Examen dès que possible une fois la session d'examen terminée.

Une pauvre petite diode allumée par intermittence, est-ce vraiment censé augmenter aussi significativement la consommation de la calculatrice ? Nous traiterons donc ici entre autres de la surconsommation induite par l'activation du mode examen.

Pour ce premier épisode, intéressons-nous aux calculatrices Casio monochromes, les Graph 25+E, Graph 25+E II, Graph 35+E, Graph 35+E II et Graph 75+E.

Commençons par te présenter le protocole.

Nous allons effectuer les mesures à l'aide d'une TI-Nspire CX II. Nous allons mesurer l'intensité, et utiliserons pour cela un capteur d'intensité Vernier. Muni d'une prise BT-A (le standard historique de téléphonie analogique chez British Telecom), il nous faut une interface pour le connecter à notre calculatrice, comme par exemple le Vernier EasyLink.

Problème suivant, un ampèremètre cela se branche en série. Comment faire donc pour couper le circuit de chaque calculatrice testée afin d'y intercaler le capteur d'intensité, tout en permettant à cette dernière de continuer à fonctionner ?

Nous allons utiliser un éliminateur de piles AAA modifié à cette fin. Une fausse pile AAA permet d'ouvrir le circuit, et il suffit alors de connecter en série à ses bornes un réceptacle pour la 4^ème pile AAA alors manquante, ainsi que le capteur d'intensité.

Le gros avantage est donc qu'il n'y a aucune soudure ou modification à effectuer sur les calculatrices testées.

Et voilà donc à quoi ressemble le montage final.

Nous configurons la TI-Nspire CX II pour effectuer :

• 50 mesures par seconde
• pendant une durée de 29 secondes (car plusieurs modèles passent en mode économie d'énergie après 30 secondes d'inutilisation)

Nous retiendrons la valeur moyenne.

Par soucis d'égalité, nous n'utiliserons que des piles neuves avec au minimum 1,6 Volts de tension à vide entre leurs bornes.

Les modèles d'aujourd'hui sont tous à écran monochrome, les mesures seront effectuées avec le contraste par défaut de l'écran.

Nous allons de plus effectuer les mesures dans des conditions différentes :

• Calculatrice éteinte (hors mode examen + en mode examen)
• Calculatrice allumée mais inoccupée (hors mode examen + en mode examen)
• Calculatrice en train d'effectuer un calcul suffisamment long (hors mode examen + en mode examen)
  Nous choisissons en mode degrés :
  $mathjax$\sum{\sqrt[3]{e^{sin\left(Arctan\left(x\right)\right)}}}$mathjax$

Hors mode examen, ta Graph 25+E se met complètement en veille une fois éteinte. Nous mesurons sur 29 secondes une consommation moyenne d'à peine 0,050 mA. Par contre une fois passée en mode examen, la consommation de la machine éteinte bondit à 0,284 mA.

C'est dû d'une part comme tu peux l'observer sur le diagramme ci-contre aux brefs allumages de la diode examen, très exactement toutes les 2 secondes chez Casio. Une surconsommation effectivement énorme par rapport au fonctionnement normal / habituel attendu. Après la surconsommation en question n'est pas intégralement due à la diode, puisque le processeur de la calculatrice doit lui aussi se réveiller pour l'allumer et l'éteindre.

On retrouve une surconsommation comparable en mode examen pour les mesures effectuées calculatrice allumée mais inoccupée, et calculatrice en train d'effectuer un calcul.

Tu peux d'ailleurs remarquer que ce qui consomme le plus ce n'est pas l'écran mais le processeur. En effet calculatrice allumée, la consommation bondit de 0,828 mA à 17,105 mA lorsqu'elle effectue un calcul.

Graph 25+E	hors mode examen	en mode examen
éteinte	0,050 mA	0,284 mA (+470,80%)
inoccupée	0,828 mA	1,112 mA (+34,25%)
calcul	17,105 mA	17,679 mA (+3,36%)

La Graph 35+E utilise la même carte mère que la Graph 25+E, avec juste quelques composants rajoutés relatifs au port USB absent de la précédente. Par contre elle intègre un plus grand écran, avec des cristaux liquides noirs au lieu de bleus.

Graph 35+E	hors mode examen	en mode examen
éteinte	0,058 mA	0,314 mA (+444,32%)
inoccupée	0,938 mA	1,100 mA (+17,28%)
calcul	17,876 mA	18,389 mA (+2,87%)

La Graph 25+E II est la nouvelle version de la Graph 25+E. Elle dispose du même processeur 32 bits SH4 mais cadencé à 58,98 MHz, contre 29,49 MHz pour la précédente.

Aussi relève-t-on ici des consommations plus élevées, particulièrement lorsque la machine effectue un gros calcul. Mais après cela veut dire aussi que le calcul prendra moins de temps, et nous ne pensons donc pas retenir les consommations en calcul pour un classement final.

Graph 25+E II	hors mode examen	en mode examen
éteinte	0,069 mA	0,455 mA (+561,22%)
inoccupée	0,811 mA	1,290 mA (+59,07%)
calcul	27,130 mA	27,252 mA (+0,45%)

La Graph 35+E II est la nouvelle version de la Graph 35+E, ou version avancée de la Graph 25+E II. Nous avons :

• par rapport à l'ancienne Graph 35+E le même processeur 32 bits SH4 mais cadencé à 58,98 MHz au lieu de 29,49 MHz
• par rapport à la Graph 25+E II la même carte mère mais avec des composants additionnels relatifs au port USB, et un plus grand écran avec des cristaux liquides noirs au lieu de bleus

Graph 35+E II	hors mode examen	en mode examen
éteinte	0,216 mA	0,485 mA (+124,84%)
inoccupée	0,955 mA	1,225 mA (+28,23%)
calcul	30,298 mA	30,824 mA (+1,74%)

Il est à noter ici que les modèles américain fx-9750GIII et international fx-9860GIII, bien qu'utilisant la même carte mère, sont dépourvus de diode examen et ne génèrent ainsi aucune surconsommation en mode examen. Nous avons testé sur notre fx-9750GIII, en mode examen il n'y a même strictement aucune surconsommation machine éteinte, indiquant donc que le processeur ne se réveille même pas toutes les 2 secondes. C'est-à-dire que si quelqu'un s'amusait à souder la diode manquante à l'emplacement vide sur la carte mère, cette dernière clignoterait peut-être calculatrice allumée, mais pas calculatrice éteinte.

La Graph 75+E est la version avancée de la Graph 35+E.

Par rapport à cette dernière, elle dispose d'un éclairage optionnel de l'écran activable via la combinaison

SHIFT

OPTN

. Au bout de 30 secondes d'inutilisation la calculatrice désactive l'éclairage de l'écran, et ce dernier doit alors être réactivé manuellement.

Vu ce comportement, nous ne tiendrons pas compte de l'éclairage pour un classement final, mais nous t'avons quand même réalisé les mesures le concernant :

Graph 75+E	hors mode examen	en mode examen
éteinte	0,089 mA	0,309 mA (+245,96%)
inoccupée (éclairée)	1,091 mA 8,058 mA (+638,57%)	1,288 mA (+18,03%) 8,285 mA (+2,82%) (+543,39%)
calcul (éclairée)	17,852 mA 24,742 mA (+38,59%)	18,401 mA (+3,13%) 25,274 mA (+2,15%) (+37,27%)

Conclusion ? Le mode examen à diode est un désastre écologique sans nom. Une surconsommation d'énergie phénoménale avec des 100aines de 1000iers de candidats l'activant en même temps, suivie d'un formidable gaspillage d'énergie pour les candidats qui ne le désactiveront pas en fin d'épreuve (parce que ayant autre chose en tête, parce que n'ayant pas le matériel nécessaire à la désactivation sous la main, ou parce que n'y arrivant pas).

Le clignotement de la diode continue en effet machine éteinte, ce qui sera en effet un véritable piège pour les candidats après épreuve : le clignotement va continuer au fond du sac/tiroir jusqu'à épuisement total des piles ou de la batterie.

Une diode ne consomme certes pas grand chose, mais contrairement à ce que l'on pouvait penser cette poursuite du clignotement même machine éteinte est extrêmement gourmande. En effet le processeur doit se réveiller à intervalles de temps réguliers pour gérer le clignotement de la diode (en gros commander son allumage puis son extinction), et le processeur est de très loin l'élément de la calculatrice le plus consommateur d'énergie, bien d'avantage que l'écran même si éclairé.

Maintenant que les épreuves d'examen régies par un cadre national ont hélas été réduites à leur plus simple expression, quel gouvernement/ministre aura le courage d'abroger l'exigence d'une diode examen ?

Après tout les institutions d'autres pays (Portugal, Pays-Bas, ...) s'en sortent très bien avec le mode examen des calculatrices sans exiger de diode qui clignote, ne prenant pas leurs surveillants pour des incapables.
Et comme nous avons vérifié sur les modèles concernant ces pays, l'extinction de la calculatrice permet alors au matériel de se mettre en sommeil complet même en mode examen, le processeur n'ayant plus à se réveiller pour gérer un clignotement. Une économie d'énergie formidable aussi bien pendant l'épreuve qu'après l'épreuve !

[critor]

Une partie des mesures sont maintenant disponibles et comparables dans le cadre du QCC 2021 :
Accès QCC 2021 Universel

Comme expliqué, nous avons retenu pour comparaison :

• consommation machine allumée mais inoccupée, hors mode examen
• consommation machine allumée mais inoccupée, en mode examen
• consommation machine éteinte, en mode examen

Il ne nous semble pas pertinent de tenir compte pour comparaison de la consommation lors d'un calcul, parce que justement sur les machine avec un processeur plus puissant et gourmand, le calcul et donc la consommation accrue dureront en contrepartie moins longtemps.

[critor]

Passons à la fx-92+ Spéciale Collège.

Je ne vais pas faire un épisode à part juste pour elle. Ici il n'y a pas de mode examen, dont pas de variations intéressantes à observer et très peu de mesures.

Allumée mais inoccupé, la fx-92+ Spéciale Collège tire 0,074 mA, c'est rajouté :
Accès QCC 2021 Universel

Le test de consommation pendant un calcul ne peut pas être effectué ici, la machine n'ayant pas l'opérateur de sommation.

On pourrait envisager le test par contre sur le modèle allemand haut de gamme fx-991DE X disposant du même matériel. Mais ce dernier utilise une pile LR44, notre protocole de cette année n'est donc pas adapté.

[ptijoz]

Passons à la fx-92+ Spéciale Collège.
[..]
Le test de consommation pendant un calcul ne peut pas être effectué ici, la machine n'ayant pas l'opérateur de sommation.
[..]

sur cette machine ne peut_on faire un programme en mode algo de ce style ?

Code: Select all

0→A
Répéter 500
A＋³√(e^(sin(Arctan(A))→A
⤴
Afficher résult A

[critor]

Oui, mais pas sûr que ce soit bien équivalent en terme de consommation.
Tout dépend comment fonctionne l'interpréteur de programmes.

[rentech7289]

Pour le clignotement de la led, le microprocesseur n'a pas besoin d'être alimenté: une résistance suivie d'un condensateur, qui se charge lentement en fonction de la résistance, alimente la led dès qu'il est chargé. Ce qui suffit à le vider, puis rebelote. Pour commander le circuit, il faut juste une bascule (une cellule mémoire) qui pilote un transistor. Plus pratique et moins coûteux qu'un montage avalanche avec un transistor qui finit par cramer...
Pour la sommation, pas tellement le choix. Si la fonction n'est pas intégrée, soit tu l'écris toi-même, soit tu rentre les calculs à la main. Dans le cas présent, la consommation réelle tiendrait plus du code de ptitjoz que d'une entrée à la main, et connaissant TI, ça aurait été le cas...

[critor]

Bonjour. Oui je connais les oscillateurs RLC. Mais cela ne me semble pas être la solution retenue ici.

Il y a de plus une particularité sur les Casio :

• Hors mode examen, le contenu RAM est inscrit en Flash à chaque extinction de la calculatrice, et restauré au rallumage.
• En mode examen, la sauvegarde du contenu RAM en mémoire Flash est désactivée. Donc même calculatrice éteinte, la RAM doit continuer à être alimentée.

C'est très facile à vérifier, il suffit d'enlever une pile ou d'enfoncer le bouton restart au dos. Hors mode examen tout le contenu RAM présent lors de la dernière extinction de la calculatrice sera conservé. En mode examen, l'intégralité du contenu RAM sera perdu.

[rentech7289]

Tout le monde n'a pas de connaissances en électronique, c'est une technique de base très utilisée à une certaine époque. En réalité le circuit utilisé est similaire à celui des alimentation de PC qui gère la veille. Il est alimenté en permanence et dès qu'un signal de sortie de veille (l'appui sur ON) arrive, la montée en charge de l'alimentation du microprocesseur a de nouveau lieu. La différence avec un PC est qu'il n'y pas besoin de câblage vers un port WLAN pour une sortie de veille puisque les calculatrices ne sont pas prévues pour effectuer des calculs en réseau mais uniquement des transferts de fichiers. Ce même circuit pilote la led via un registre programmable, ce qui demande une connexion physique avec le microprocesseur. C'est pour cette raison que certaines machines demandent une aide matérielle extérieure pour sortir du mode examen. Le but étant d'éviter tout reprogrammation destinée à simuler un mode examen et donc toute triche.
Pour la RAM, c'est différent, tu ne peux pas utiliser un microprocesseur sans mémoire vive c'est une évidence. Mais il faut distinguer deux technologies de mémoire vive:
La plus ancienne, dite statique, a une fonctionnement similaire à de la mémoire: il suffit d'écrire dedans. Ce sont des circuits plus lents que les suivants mais moins exigeants.
Le plus utilisée (cas des PC) est dite dynamique parce que son fonctionnement est permanent. Pour conserver les données celle-ci doit opérer des cycles similaires à une lecture de son contenu afin de pas le perdre, les écritures se faisant entre des suspensions de ces cycles. Ce qui en fait un circuit plutôt actif et demande une alimentation capable de monter en charge.
Mais une RAM statique consommera moins qu'une RAM dynamique et coûtera moins cher avec des performances moins élevées. La mémoire Flash coûte un peu plus cher mais sert à stocker l'OS de la machine. Utiliser une partie de celle-ci pour une sauvegarde ne fera pas exploser le prix de revient de la machine.
Vus les chiffres de consommation, je pencherais pour la mémoire dynamique mais difficile à dire avec certitude sans avoir accès à ce genre d'info. La seule chose qui peut être affirmée est que le microprocesseur est assez gourmand: de 15 à 30 fois la conso au repos.
Ce sont de simples choix technologiques: faire bien avec des technologies éprouvées sans exploser le prix de revient.

[critor]

Merci beaucoup pour vos très précieuses explications.