Маломощная электроника

Электроника с низким энергопотреблением - это электроника, такая как процессоры для ноутбуков , которая была разработана для использования меньшего количества электроэнергии, чем обычно, часто за определенную плату. В случае процессоров для ноутбуков эти расходы связаны с вычислительной мощностью; Процессоры для ноутбуков, как правило, потребляют меньше энергии, чем их настольные аналоги, за счет меньшей вычислительной мощности. ^[1]

История [ править ]

Часы [ править ]

Самые ранние попытки уменьшить количество энергии, требуемой электронным устройством, были связаны с разработкой наручных часов . Электронным часам требуется электричество в качестве источника энергии, а некоторые механические механизмы и гибридные электронно-механические механизмы также требуют электричества. Обычно электричество обеспечивает сменный аккумулятор . Первое использование электроэнергии в часах было заменой основной пружины , чтобы избавиться от необходимости заводить их. Первые часы с электрическим приводом Hamilton Electric 500 были выпущены в 1957 году компанией Hamilton Watch Company из Ланкастера, штат Пенсильвания .

Первые кварцевые наручные часы были представлены в 1976 году, в которых для индикации времени использовались аналоговые стрелки. ^[2]

Батареи для часов (строго говоря, элементы, так как батарея состоит из нескольких элементов) специально разработаны для своего назначения. Они очень маленькие и обеспечивают крошечное количество энергии непрерывно в течение очень длительных периодов (несколько лет и более). В некоторых случаях для замены батареи требуется поездка в мастерскую по ремонту часов или к продавцу часов. Перезаряжаемые батареи используются в некоторых часах на солнечной энергии .

Первые цифровые электронные часы, прототип Pulsar LED в 1970 году. ^[3] Цифровые светодиодные часы были очень дорогими и были недоступны для обычного потребителя до 1975 года, когда компания Texas Instruments начала массовое производство светодиодных часов в пластиковом корпусе.

Большинство часов со светодиодными дисплеями требовали, чтобы пользователь нажимал кнопку, чтобы увидеть время, отображаемое в течение нескольких секунд, потому что светодиоды потребляли так много энергии, что они не могли работать непрерывно. Часы со светодиодными дисплеями были популярны в течение нескольких лет, но вскоре на смену светодиодным дисплеям пришли жидкокристаллические дисплеи (ЖК-дисплеи), которые потребляли меньше энергии от батареи и были намного более удобны в использовании, с дисплеем, который всегда был виден и не нужно было нажимать на кнопку. кнопку, прежде чем увидеть время. Только в темноте нужно было нажать кнопку, чтобы зажечь дисплей крошечной лампочкой, а потом загорелись светодиоды. ^[4]

Сегодня в большинстве электронных часов используются кварцевые генераторы с частотой 32 кГц . ^[2]

По состоянию на 2013 год процессоры, специально разработанные для наручных часов, представляют собой процессоры с наименьшим энергопотреблением, производимые сегодня - часто 4-битные процессоры с частотой 32 кГц.

Мобильные вычисления [ править ]

Эта статья не соответствует рекомендациям Википедии по использованию разных времен . Пожалуйста, рассмотрите возможность копирования в прошедшее время, если оно историческое, в настоящее время, если оно не основано на времени (например, художественная литература ), или в будущее время, если оно готовится. ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Когда были впервые разработаны персональные компьютеры , энергопотребление не было проблемой. Вскоре после этого началась разработка портативных компьютеров , а вместе с ней и требование запускать компьютер от аккумуляторной батареи , что положило начало поиску компромисса между вычислительной мощностью и потребляемой мощностью. Первоначально большинство процессоров использовали как ядро, так и схемы ввода-вывода с напряжением 5 вольт, как в Intel 8088, используемом в первом Compaq Portable . Позже оно было уменьшено до 3,5, 3,3 и 2,5 вольт для снижения энергопотребления. Например, напряжение ядра Pentium P5 снизилось с 5 В в 1993 году до 2,5 В в 1997 году.

С более низким напряжением снижается общее энергопотребление. При меньшем потреблении энергии система будет дешевле в эксплуатации, но, что более важно для портативных или мобильных систем, она будет работать намного дольше на существующих аккумуляторных технологиях. Акцент на работу от батареи стал причиной многих достижений в снижении напряжения процессора, поскольку это существенно влияет на срок службы батареи. Второе важное преимущество заключается в том, что при меньшем напряжении и, следовательно, меньшем потреблении энергии будет меньше выделяться тепла. Более холодные процессоры можно упаковать в системы более плотно, и они прослужат дольше. Третье важное преимущество заключается в том, что процессор, работающий с кулером при меньшем энергопотреблении, может работать быстрее. Снижение напряжения было одним из ключевых факторов, позволяющих повышать тактовую частоту процессоров.^[5]

Электроника [ править ]

Вычислительные элементы [ править ]

Плотность и скорость вычислительных элементов на интегральных схемах экспоненциально увеличивались за несколько десятилетий в соответствии с тенденцией, описанной законом Мура . Хотя общепринято считать, что эта тенденция к экспоненциальному улучшению закончится, неясно, насколько плотными и быстрыми интегральные схемы станут к тому времени, когда эта точка будет достигнута. Были продемонстрированы рабочие устройства, которые были изготовлены с длиной канала MOSFET- транзистора 6,3 нанометра с использованием обычных полупроводниковых материалов, и были созданы устройства, в которых в качестве затворов MOSFET использовались углеродные нанотрубки , что дало длину канала приблизительно один нанометр.. Плотность и вычислительная мощность интегральных схем ограничены в первую очередь соображениями рассеяния мощности.

Общее энергопотребление нового персонального компьютера увеличивается примерно на 22% в год. ^[6] Это увеличение потребления происходит, несмотря на то, что энергия, потребляемая одним логическим вентилем CMOS для изменения состояния, падает экспоненциально из-за того, что закон Мура сокращает размер элемента процесса. ^[6]

Микросхема интегральной схемы содержит множество емкостных нагрузок, сформированных как намеренно (как при межканальной емкости), так и непреднамеренно (между проводниками, которые находятся рядом друг с другом, но не связаны электрически). Изменение состояния схемы вызывает изменение напряжения на этих паразитных емкостях , что влечет за собой изменение количества запасенной энергии. Поскольку емкостные нагрузки заряжаются и разряжаются через резистивные устройства, количество энергии, сравнимое с накопленным в конденсаторе, рассеивается в виде тепла:

${\ displaystyle E _ {\ mathrm {stored}} = {1 \ более 2} CU ^ {2}}$

Эффект рассеивания тепла на изменение состояния заключается в ограничении объема вычислений, которые могут выполняться в рамках заданного бюджета мощности. Хотя усадка устройства может уменьшить некоторые паразитные емкости, количество устройств на интегральной микросхеме увеличилось более чем достаточно, чтобы компенсировать пониженную емкость в каждом отдельном устройстве. Некоторым схемам - например, динамической логике - для правильного функционирования требуется минимальная тактовая частота, тратя впустую «динамическую мощность», даже если они не выполняют полезных вычислений. Другие схемы - в первую очередь RCA 1802 , но также и несколько более поздних микросхем, таких как WDC 65C02 , Intel 80C85 , Freescale 68HC11 и некоторые другие CMOS.микросхемы - используют «полностью статическую логику», которая не имеет минимальной тактовой частоты, но может «останавливать часы» и сохранять свое состояние неопределенно долго. Когда часы остановлены, такие схемы не используют динамическую мощность, но все же имеют небольшое статическое энергопотребление, вызванное током утечки.

По мере уменьшения размеров схемы подпороговые токи утечки становятся более заметными. Этот ток утечки приводит к энергопотреблению, даже если переключение не происходит (статическое энергопотребление). В современных микросхемах этот ток обычно составляет половину мощности, потребляемой микросхемой.

Снижение потерь мощности [ править ]

Потери от подпороговой утечки можно уменьшить, увеличив пороговое напряжение и снизив напряжение питания. Оба эти изменения значительно замедляют работу схемы. Чтобы решить эту проблему, в некоторых современных схемах с низким энергопотреблением используется двойное напряжение питания для повышения скорости на критических путях цепи и снижения энергопотребления на некритических путях. В некоторых схемах даже используются разные транзисторы (с разными пороговыми напряжениями) в разных частях схемы, чтобы еще больше снизить энергопотребление без значительной потери производительности.

Другой метод, используемый для снижения энергопотребления, - это стробирование мощности : ^[7] использование транзисторов спящего режима для отключения целых блоков, когда они не используются. Системы, которые бездействуют в течение длительных периодов времени и «просыпаются» для выполнения периодической активности, часто находятся в изолированном месте, отслеживая активность. Эти системы, как правило, работают от батарей или солнечных батарей, поэтому снижение энергопотребления является ключевым моментом при проектировании этих систем. Отключение функционального, но негерметичного блока до тех пор, пока он не будет использован, может значительно снизить ток утечки. Для некоторых встроенных систем, которые работают только в течение коротких периодов времени, это может значительно снизить энергопотребление.

Также существуют два других подхода для снижения затрат мощности на изменение состояния. Один из них - снизить рабочее напряжение схемы, как в ЦП с двойным напряжением , или уменьшить изменение напряжения, связанное с изменением состояния (выполнение только изменения состояния, изменение напряжения узла на долю от напряжения питания - низкое напряжение дифференциальная сигнализация , например). Этот подход ограничен тепловым шумом внутри схемы. Существует характеристическое напряжение (пропорциональное температуре устройства и постоянной Больцмана ), которое должно превышать напряжение переключения состояний, чтобы схема была устойчивой к шумам. Обычно это порядка 50–100 мВ для устройств, рассчитанных на внешнюю температуру 100 градусов Цельсия (около 4kT , где T - внутренняя температура устройства в градусах Кельвина, а k - постоянная Больцмана ).

Второй подход - попытаться обеспечить заряд емкостных нагрузок по путям, которые в основном не являются резистивными. Это принцип адиабатических схем . Заряд подается либо от индуктивного источника питания переменного напряжения , либо от других элементов в схеме с обратимой логикой . В обоих случаях передача заряда должна в первую очередь регулироваться нерезистивной нагрузкой. На практике это означает, что скорость изменения сигнала должна быть медленнее, чем это диктуется постоянной времени RC.управляемой цепи. Другими словами, цена пониженного энергопотребления на единицу вычислений - это пониженная абсолютная скорость вычислений. На практике, хотя адиабатические схемы были построены, их было трудно использовать для существенного снижения вычислительной мощности в практических схемах.

Наконец, есть несколько методов уменьшения количества изменений состояния, связанных с данным вычислением. Для схем с тактовой логикой используется метод тактового стробирования , чтобы избежать изменения состояния функциональных блоков, которые не требуются для данной операции. В качестве более радикальной альтернативы подход с асинхронной логикой реализует схемы таким образом, что особые часы с внешним питанием не требуются. Хотя оба этих метода используются в разной степени при проектировании интегральных схем, предел практической применимости каждого из них, по-видимому, уже достигнут. ^{[ необходима цитата ]}

Элементы беспроводной связи [ править ]

Есть различные методы для уменьшения количества энергии , необходимой для аккумулятора желаемой беспроводной связи полезного пропускной способности .^[8]

Некоторые беспроводные ячеистые сети используют "интеллектуальные" методы широковещательной передачи с низким энергопотреблением , которые уменьшают заряд батареи, необходимый для передачи.

Это может быть достигнуто с помощью протоколов с учетом мощности и совместных систем управления мощностью.

Затраты [ править ]

В 2007 году около 10% среднего бюджета ИТ было потрачено на энергию, и ожидалось, что к 2010 году затраты на электроэнергию для ИТ вырастут до 50% ^[9].

Вес и стоимость систем питания и охлаждения обычно зависят от максимально возможной мощности, которая может быть использована в какой-то момент. Есть два способа предотвратить необратимое повреждение системы из-за чрезмерного нагрева. Большинство настольных компьютеров проектируют системы питания и охлаждения с учетом наихудшего случая рассеивания мощности ЦП при максимальной частоте, максимальной рабочей нагрузке и наихудшей среде. Чтобы уменьшить вес и стоимость, многие системы портативных компьютеров предпочитают использовать гораздо более легкую и недорогую систему охлаждения, разработанную на основе гораздо более низкой расчетной тепловой мощности., что несколько превышает ожидаемую максимальную частоту, типичную рабочую нагрузку и типичную среду. Обычно такие системы снижают (дросселируют) тактовую частоту, когда температура кристалла процессора становится слишком высокой, уменьшая рассеиваемую мощность до уровня, с которым может справиться система охлаждения.

Примеры [ править ]

• Transmeta
• Acorn RISC Machine (ARM)
• АМУЛЕТ микропроцессор
• Microchip nanoWatt XLP микроконтроллеры PIC
• Микроконтроллеры Texas Instruments MSP430
• Микроконтроллеры Energy Micro / Silicon Labs EFM32
• Микроконтроллеры STMicroelectronics STM32
• Микроконтроллеры Atmel / Microchip SAM L

См. Также [ править ]

• Рассеивание мощности процессора
• Общий формат питания
• Организация данных для малой мощности
• ИТ-управление энергопотреблением
• Производительность на ватт
• Управление энергопотреблением
• Экологичные вычисления
• Динамическое масштабирование частоты
• Разгон
• Разгон
• Динамическое масштабирование напряжения
• Перенапряжение
• Пониженное напряжение
• Изоляция операндов
• Удаление глюков
• Автономная периферийная работа

Ссылки [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

• Годе, Винсент К. (2014-04-01) [2013-09-25]. «Глава 4.1. Методы проектирования с низким энергопотреблением для современных КМОП-технологий». В Steinbach, Bernd (ред.). Недавний прогресс в булевой области (1-е изд.). Ньюкасл-апон-Тайн, Великобритания: Cambridge Scholars Publishing . С. 187–212. ISBN 978-1-4438-5638-6. Проверено 4 августа 2019 . [3] (455 стр.)

Внешние ссылки [ править ]

• «Высокоуровневый синтез маломощного процессора VLIW для речевого кодировщика IS-54 VSELP» Рассел Хеннинг и Чайтали Чакрабарти (NB. Подразумевается, что в целом, если алгоритм запуска известен, оборудование, разработанное специально для запуска этот алгоритм будет потреблять меньше энергии, чем оборудование общего назначения, работающее с этим алгоритмом на той же скорости.)
• CRISP: масштабируемый процессор VLIW для мультимедийных систем с низким энергопотреблением, автор Франсиско Барат, 2005 г.
• Циклический ускоритель для встроенных процессоров VLIW с низким энергопотреблением от Бину Мэтью и Эла Дэвиса
• Дизайн со сверхнизким энергопотреблением от Джека Ганссла
• К. Рой и С. Прасад, Разработка схем СБИС КМОП малой мощности , John Wiley & Sons, Inc., ISBN 0-471-11488-X , 2000, 359 страниц. 
• KS. Йео и К. Рой, Низковольтные маломощные подсистемы СБИС , McGraw-Hill 2004, ISBN 0-07-143786-X , 294 страницы.