Маломощная электроника — это электроника, такая как процессоры ноутбуков , которая спроектирована так, чтобы потреблять меньше электроэнергии , чем обычно, часто за определенную плату. В случае процессоров для ноутбуков эти затраты связаны с вычислительной мощностью; Процессоры для ноутбуков обычно потребляют меньше энергии, чем их аналоги для настольных компьютеров, за счет более низкой вычислительной мощности. [1]
Самые ранние попытки уменьшить количество энергии, необходимое электронному устройству, были связаны с разработкой наручных часов . Электронным часам в качестве источника энергии требуется электричество, а некоторые механические механизмы и гибридные электромеханические механизмы также требуют электричества. Обычно электричество обеспечивается сменной батареей . Первое использование электроэнергии в часах было заменой ходовой пружины , чтобы устранить необходимость в заводе. 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 изготовлены в 1967 году и использовали аналоговые стрелки для отображения времени. [2]
Батарейки для часов (строго говоря, элементы, поскольку батарея состоит из нескольких ячеек) специально разработаны для своих целей. Они очень малы и непрерывно обеспечивают небольшое количество энергии в течение очень длительных периодов времени (несколько лет и более). В некоторых случаях для замены аккумулятора требуется поездка в часовую мастерскую или к часовому дилеру. В некоторых часах с солнечной батареей используются аккумуляторные батареи .
Первыми цифровыми электронными часами был прототип Pulsar LED, выпущенный в 1970 году. [3] Цифровые светодиодные часы были очень дорогими и недоступными для обычного потребителя до 1975 года, когда Texas Instruments начала массовое производство светодиодных часов в пластиковом корпусе.
Большинству часов со светодиодными дисплеями требовалось, чтобы пользователь нажимал кнопку, чтобы увидеть отображаемое время в течение нескольких секунд, поскольку светодиоды потребляли так много энергии, что их невозможно было поддерживать непрерывной работой. Часы со светодиодными дисплеями были популярны в течение нескольких лет, но вскоре светодиодные дисплеи были вытеснены жидкокристаллическими дисплеями (ЖК-дисплеями), которые потребляли меньше энергии от батареи и были намного удобнее в использовании: дисплей 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 крохотной лампочкой, позже засветившейся светодиодами. [4]
В большинстве электронных часов сегодня используются кварцевые генераторы с частотой 32,768 кГц . [2]
По состоянию на 2013 год процессоры, специально разработанные для наручных часов, являются процессорами с самым низким энергопотреблением, производимыми сегодня — часто это 4-битные процессоры с частотой 32,768 кГц.
Когда впервые были разработаны персональные компьютеры , энергопотребление не было проблемой. Однако с развитием портативных компьютеров необходимость запускать компьютер от аккумуляторной батареи потребовала поиска компромисса между вычислительной мощностью и энергопотреблением. Первоначально большинство процессоров работали как на ядро, так и на схемы ввода-вывода при напряжении 5 В, как в Intel 8088 , используемом в первом Compaq Portable . Позже оно было снижено до 3,5, 3,3 и 2,5 В для снижения энергопотребления. Например, напряжение ядра Pentium P5 снизилось с 5 В в 1993 году до 2,5 В в 1997 году.
При более низком напряжении снижается общее энергопотребление, что делает систему менее дорогостоящей для работы от любой существующей аккумуляторной технологии и позволяет ей работать дольше. Это крайне важно для портативных или мобильных систем. Акцент на работу от батареи привел ко многим достижениям в области снижения напряжения процессора, поскольку это существенно влияет на срок службы батареи. Второе важное преимущество заключается в том, что при меньшем напряжении и, следовательно, меньшем энергопотреблении будет выделяться меньше тепла. Процессоры, которые работают холоднее, могут быть более плотно упакованы в системы и прослужат дольше. Третье важное преимущество заключается в том, что процессор, работающий при более низкой температуре и потребляющей меньше энергии, может работать быстрее. Снижение напряжения было одним из ключевых факторов, позволивших тактовой частоте процессоров расти все выше и выше.[5]
Плотность и скорость вычислительных элементов на интегральных схемах росли в геометрической прогрессии в течение нескольких десятилетий, следуя тенденции, описанной законом Мура . Хотя общепринято считать, что эта тенденция экспоненциального улучшения закончится, неясно, насколько плотными и быстрыми станут интегральные схемы к моменту достижения этой точки. Были продемонстрированы рабочие устройства, которые были изготовлены с длиной канала МОП- транзистора 6,3 нанометра с использованием обычных полупроводниковых материалов, а также были построены устройства, в которых в качестве затворов МОП-транзистора используются углеродные нанотрубки , что дает длину канала примерно один нанометр . Плотность и вычислительная мощность интегральных схем ограничены в первую очередь проблемами рассеивания мощности.
Общее энергопотребление нового персонального компьютера увеличивается примерно на 22% в год. [6] Это увеличение потребления происходит даже несмотря на то, что энергия, потребляемая одним логическим элементом КМОП для изменения его состояния, упала экспоненциально в соответствии с законом Мура из-за сжатия. [6]
Интегральная микросхема содержит множество емкостных нагрузок, образующихся как намеренно (как в случае с емкостью затвор-канал), 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 запасаемой энергии. Поскольку емкостные нагрузки заряжаются и разряжаются через резистивные устройства, количество энергии, сравнимое с запасенным в конденсаторе, рассеивается в виде тепла:
Влияние рассеяния тепла на изменение состояния заключается в ограничении объема вычислений, которые могут быть выполнены в рамках заданного бюджета мощности. Хотя усадка устройства может уменьшить некоторые паразитные емкости, количество устройств на кристалле интегральной схемы увеличилось более чем достаточно, чтобы компенсировать снижение емкости в каждом отдельном устройстве. Некоторые схемы – например, динамическая логика – требуют минимальной тактовой частоты для правильной работы, тратя «динамическую мощность» впустую, даже когда они не выполняют полезных вычислений. Другие схемы — в первую очередь RCA 1802 , а также несколько более поздних микросхем, таких как WDC 65C02 , Intel 80C85 , Freescale 68HC11 и некоторые другие CMOS- чипы — используют «полностью статическую логику», которая не имеет минимальной тактовой частоты, но может « остановить часы» и удерживать свое состояние на неопределенный срок. Когда часы остановлены, такие схемы не используют динамическую мощность, но все же имеют небольшое статическое энергопотребление, вызванное током утечки.
По мере уменьшения размеров схемы подпороговый ток утечки становится более заметным. Этот ток утечки приводит к потреблению энергии даже при отсутствии переключения (статическое энергопотребление). В современных микросхемах этот ток обычно составляет половину мощности, потребляемой микросхемой.
Потери от подпороговой утечки можно уменьшить, повысив пороговое напряжение и понизив напряжение питания. Оба эти изменения значительно замедляют работу схемы. Чтобы решить эту проблему, в некоторых современных маломощных схемах используется двойное напряжение питания для повышения скорости на критических путях схемы и снижения энергопотребления на некритических путях. В некоторых схемах даже используются разные транзисторы (с разными пороговыми напряжениями) в разных частях схемы, пытаясь еще больше снизить энергопотребление без значительной потери производительности.
Другим методом, который используется для снижения энергопотребления, является вентилирование мощности : [7] использование спящих транзисторов для отключения целых блоков, когда они не используются. Системы, которые бездействуют в течение длительного периода времени и «просыпаются» для выполнения периодической деятельности, часто находятся в изолированном месте, отслеживая активность. Эти системы, как правило, питаются от батарей или солнечных батарей, и, следовательно, снижение энергопотребления является ключевым вопросом проектирования этих систем. Отключив работоспособный, но негерметичный блок до тех пор, пока он не будет использован, ток утечки можно значительно уменьшить. 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 энергии 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 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 устойчива к помехам. Обычно оно составляет порядка 50–100 мВ для устройств, рассчитанных на внешнюю температуру 100 градусов Цельсия (около 4 кТ , где T — внутренняя температура устройства в Кельвинах , а k — постоянная Больцмана ).
Второй подход заключается в попытке обеспечить заряд емкостных нагрузок по путям, которые в основном не являются резистивными. Это принцип, лежащий в основе адиабатических цепей . Заряд подается либо от индуктивного источника питания переменного напряжения, либо от других элементов схемы с обратимой логикой . В обоих случаях перенос заряда должен регулироваться в первую очередь нерезистивной нагрузкой. Как практическое правило, это означает, что скорость изменения сигнала должна быть медленнее, чем та, которая диктуется постоянной времени RC управляемой цепи. Другими словами, ценой снижения энергопотребления на единицу вычисления является снижение абсолютной скорости вычислений. На практике, хотя адиабатические схемы были построены, им было трудно существенно снизить вычислительную мощность в практических схемах.
Наконец, существует 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, асинхронный логический подход реализует схемы таким образом, что не требуются специальные внешние тактовые сигналы. Хотя оба эти метода в разной степени используются при проектировании интегральных схем, предел практической применимости каждого из них, похоже, уже достигнут. [ нужна цитата ]
Существует множество методов уменьшения количества энергии батареи, необходимой для достижения желаемой производительности беспроводной связи . [8] Некоторые беспроводные ячеистые сети используют «умные» методы вещания с низким энергопотреблением, которые уменьшают заряд батареи, необходимый для передачи. Этого можно достичь, используя протоколы управления питанием и совместные системы управления питанием.
В 2007 году около 10% среднего ИТ-бюджета было потрачено на электроэнергию, и ожидалось, что к 2010 году затраты на электроэнергию для ИТ вырастут до 50%. [9]
Вес и стоимость систем электропитания и охлаждения обычно зависят от максимально возможной мощности, которую можно использовать одновременно. 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 наихудших условиях. Чтобы снизить вес и стоимость, многие портативные компьютеры предпочитают использовать гораздо более легкую и дешевую систему охлаждения, рассчитанную на гораздо меньшую расчетную тепловую мощность , которая несколько превышает ожидаемую максимальную частоту, типичную рабочую нагрузку и типичную среду. Обычно такие системы снижают (регулируют) тактовую частоту, когда температура кристалла ЦП становится слишком высокой, снижая рассеиваемую мощность до уровня, с которым может справиться система охлаждения.
Затраты на электроэнергию, составляющие сейчас около 10% среднего ИТ-бюджета, могут вырасти до 50%... к 2010 году.
