Маломощная электроника - Low-power electronics

Маломощная электроника электроника, такая как процессоры для ноутбуков, которые были разработаны, чтобы использовать меньше электроэнергия чем обычно, часто за определенную плату. В случае процессоров для ноутбуков это расходы на вычислительную мощность; Процессоры для ноутбуков, как правило, потребляют меньше энергии, чем их настольные аналоги, за счет меньшей вычислительной мощности. [1]

История

Часы

Самые ранние попытки уменьшить количество энергии, требуемой электронным устройством, были связаны с разработкой наручные часы. Электронным часам требуется электричество в качестве источника энергии, а некоторые механические механизмы и гибридные электронно-механические механизмы также требуют электричества. Обычно электричество подается от сменного аккумулятор. Первое использование электроэнергии в часах было заменой пружина, чтобы исключить необходимость намотки. Первые часы с электрическим приводом Гамильтон Электрик 500, был выпущен в 1957 г. Компания Hamilton Watch из Ланкастер, Пенсильвания.

Смотреть батареи (строго говоря, элементы, так как батарея состоит из нескольких элементов) специально разработаны для своих целей. 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 часы на солнечной энергии.

Первый цифровой электронный смотреть, а Pulsar Светодиодный прототип 1970 года.[2] Цифровые светодиодные часы были очень дорогими и были недоступны обычному потребителю до 1975 года, когда Инструменты Техаса начали 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 их нельзя было поддерживать 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 кнопку, прежде чем посмотреть время. Только в темноте нужно было нажать кнопку, чтобы зажечь дисплей крошечной лампочкой, а потом загорелись светодиоды.[3]

По состоянию на 2013 год процессоры, специально разработанные для наручных часов, являются процессоры с низким энергопотреблением производятся сегодня - часто 4-битный, Процессоры 32 кГц.

Мобильные вычисления

Когда персональные компьютеры были впервые разработаны, энергопотребление не было проблемой. Однако вскоре после этого разработка портативные компьютеры началось, а вместе с ним и требование запустить компьютер с Аккумуляторная батарея, положив начало поиску компромисса между вычислительная мощность и энергопотребление. Первоначально большинство процессоры управлял как сердечник, так и цепи ввода / вывода на 5 вольт, как в Intel 8088 используется первым Compaq Portable. Позже оно было уменьшено до 3,5, 3,3 и 2,5 В для снижения энергопотребления. Например, Pentium P5 напряжение ядра 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 от существующих аккумуляторных технологий. Упор 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, позволивших тактовая частота процессоров идти все выше и выше.[4]

Электроника

Вычислительные элементы

Плотность и скорость вычислительных элементов на интегральных схемах экспоненциально росли за несколько десятилетий, следуя тенденции, описанной Закон Мура. Хотя общепринято считать, что эта тенденция к экспоненциальному улучшению закончится, неясно, насколько плотными и быстрыми интегральные схемы станут к моменту достижения этой точки. Продемонстрированы рабочие устройства, изготовленные с использованием МОП-транзистор транзистор длина канала 6,3 нанометры с использованием обычных полупроводниковых материалов, и были созданы устройства, использующие углеродные нанотрубки в качестве затворов MOSFET, что дает длину канала приблизительно один нанометр. Плотность и вычислительная мощность интегральных схем ограничиваются в первую очередь соображениями рассеяния мощности.

В целом потребляемая мощность нового персонального компьютера увеличивается примерно на 22% в год. Это увеличение потребления происходит, несмотря на то, что энергия, потребляемая одним логическим вентилем CMOS для изменения состояния, упала экспоненциально из-за закона Мура, уменьшающего размер элемента процесса.[5]

Микросхема интегральной схемы содержит много емкостной нагрузки, сформированные как намеренно (как в случае межканальной емкости), так и непреднамеренно (между проводниками, которые находятся рядом друг с другом, но не соединены электрически). Изменение состояния цепи вызывает изменение напряжения на этих паразитные емкости, что связано с изменением количества запасенной энергии. Поскольку емкостные нагрузки заряжаются и разряжаются через резистивный В устройствах количество энергии, сравнимое с накопленной в конденсаторе, рассеивается в виде тепла:

Эффект рассеивания тепла на изменение состояния заключается в ограничении объема вычислений, которые могут быть выполнены в рамках заданного бюджета мощности. Хотя усадка устройства может снизить некоторые паразитные емкости, количество устройств на интегральной микросхеме увеличилось более чем достаточно, чтобы компенсировать снижение емкости в каждом отдельном устройстве. Некоторые схемы - динамическая логика например - требуют минимальной тактовой частоты для правильной работы, тратя впустую «динамическую мощность», даже когда они не выполняют полезных вычислений. Другие схемы - в первую очередь, RCA 1802, но и несколько более поздних чипов, таких как WDC 65C02, то Intel 80C85, то 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 габаритов схемы, подпороговая утечка ток становится более заметным. Этот ток утечки приводит к потреблению энергии, даже если переключение не происходит (статическое потребление энергии). В современных микросхемах этот ток обычно составляет половину мощности, потребляемой микросхемой.

Снижение потерь мощности

Убыток от подпороговая утечка можно уменьшить, увеличив пороговое напряжение и понижение напряжения 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.[6] В некоторых схемах даже используются разные транзисторы (с разными пороговыми напряжениями) в разных частях схемы, чтобы еще больше снизить энергопотребление без значительной потери производительности.

Еще один метод снижения энергопотребления: силовой строб:[7] использование транзисторов сна 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. Выключение функционального, но негерметичного блока до его использования позволяет 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 цепи, как в ЦП с двойным напряжением или для уменьшения изменения напряжения, связанного с изменением состояния (выполнение только изменения состояния, изменение напряжения узла на долю от напряжения питания -низковольтная дифференциальная сигнализация, Например). Этот подход ограничен тепловым шумом внутри схемы. Имеется характеристическое напряжение (пропорциональное температуре устройства и Постоянная Больцмана ), которое должно превышать напряжение переключения состояний, чтобы схема была устойчивой к шумам. Обычно это порядка 50–100 мВ для устройств с номиналом 100 мВ. градусов Цельсия внешняя температура (около 4 kT, где Т это внутренняя температура устройства в кельвины и k это Постоянная Больцмана ).

Второй подход - попытаться обеспечить заряд емкостных нагрузок по путям, которые в основном не являются резистивными. Это принцип адиабатические схемы. Заряд подается либо от переменного напряжения индуктивный источником питания или другими элементами в обратимая логика цепь. В обоих случаях передача заряда должна в первую очередь регулироваться нерезистивной нагрузкой. На практике это означает, что скорость изменения сигнала должна быть ниже, чем это диктуется Постоянная 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 для уменьшения количества изменений состояния, связанных с данным вычислением. Для схем с тактовой логикой, стробирование часов используется, чтобы избежать изменения состояния функциональных блоков, которые не требуются для данной операции. В качестве более радикальной альтернативы асинхронная логика Подход реализует схемы таким образом, что особые часы с внешним питанием не требуются. Хотя оба эти метода используются в разной степени при проектировании интегральных схем, предел практической применимости каждого из них, по-видимому, достигнут.[нужна цитата ]

Элементы беспроводной связи

Существует множество способов уменьшить количество заряда батареи, необходимое для желаемой беспроводной связи. Goodput.[8]

Немного беспроводные ячеистые сети использовать "умное" маломощное вещание методы, которые уменьшают заряд батареи, необходимый для передачи.

Этого можно добиться, используя протоколы питания и совместные системы управления мощностью.

Расходы

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 вокруг. худший случай Рассеивание мощности процессора при максимальной частоте, максимальной рабочей нагрузке и наихудшей среде. Для снижения веса и стоимости многие системы портативных компьютеров предпочитают использовать гораздо более легкую и дешевую систему охлаждения, разработанную на основе гораздо более низкой Тепловая схема питания, 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, снижая рассеиваемую мощность до уровня, с которым может справиться система охлаждения.

Примеры

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Значение букв процессора Intel [Простое руководство]». 2020-04-20.
  2. ^ «Всем доброго времени: директор HILCO EC передал Смитсоновскому институту прототип первых в мире работающих цифровых часов». Кооперативная власть Техаса. Февраль 2012 г.. Получено 2012-07-21.
  3. ^ Патент США 4096550 : В. Боллер, М. Донати, Дж. Фингерле, П. Уайлд, Осветительное устройство для полевого жидкокристаллического дисплея, а также изготовление и применение осветительного устройстваподана 15 октября 1976 г.
  4. ^ Типы и характеристики микропроцессоров, Скотт Мюллер и Марк Эдвард Сопер, 2001 г.
  5. ^ Пол ДеМоне. "Невероятно сокращающийся процессор: опасность роста мощи" .2004.[1]
  6. ^ "Обзор архитектурных методов для околопороговых вычислений ", С. Миттал, ACM JETC, 2015 г.
  7. ^ K. Roy, et. др., "Механизмы утечки тока и методы уменьшения утечки в схемах глубоких субмикронных КМОП", Proceedings of the IEEE, 2003.[2]
  8. ^ «Как использовать дополнительные беспроводные протоколы энергосбережения для значительного снижения энергопотребления» Билл Макфарланд 2008.

дальнейшее чтение

внешняя ссылка