Маломощная электроника — это электроника, например, процессоры для ноутбуков , которые были разработаны для использования меньшего количества электроэнергии , чем обычно, часто за счет некоторых затрат. В случае процессоров для ноутбуков, эти затраты — вычислительная мощность; 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, требуемое электронным устройством, были связаны с разработкой наручных часов . Электронным часам требуется электричество в качестве источника питания, а некоторым механическим механизмам и гибридным электромеханическим механизмам также требуется электричество. Обычно электричество обеспечивается сменной батареей . Первое использование электроэнергии в часах было в качестве замены главной 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, в них для отображения времени использовались аналоговые стрелки. [2]
Батарейки для часов (строго говоря, ячейки, поскольку батарея состоит из нескольких ячеек) специально разработаны для своей цели. Они очень малы и обеспечивают крошечное количество энергии непрерывно в течение очень длительного времени (несколько лет или больше). В некоторых случаях замена батареи требует похода в часовую мастерскую или к часовому дилеру. Перезаряжаемые батареи используются в некоторых часах на солнечных батареях .
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.
Большинство часов со светодиодными дисплеями требовали, чтобы пользователь нажал 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 светодиодные дисплеи были заменены жидкокристаллическими дисплеями (ЖК-дисплеями), которые потребляли меньше энергии батареи и были гораздо более удобными в использовании, с дисплеем, который всегда был виден и не требовалось нажимать кнопку, чтобы увидеть время. Только в темноте вам нужно было нажать кнопку, чтобы дисплей загорелся маленькой лампочкой, позже светодиоды стали освещать. [4]
Большинство современных электронных часов используют кварцевые генераторы с частотой 32,768 кГц . [2]
По состоянию на 2013 год процессоры, специально разработанные для наручных часов, являются самыми маломощными процессорами , производимыми сегодня, — зачастую это 4-битные процессоры с частотой 32,768 кГц.
Когда персональные компьютеры только появились, энергопотребление не было проблемой. Однако с развитием портативных компьютеров необходимость работы компьютера от аккумуляторной батареи потребовала поиска компромисса между вычислительной мощностью и энергопотреблением. Первоначально большинство процессоров работали как на ядре, так и на схемах ввода-вывода при напряжении 5 вольт, как в Intel 8088, используемом в первом Compaq Portable . Позднее оно было снижено 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, что делает систему менее затратной для работы на любой существующей технологии аккумуляторов и позволяет ей работать дольше. Это крайне важно для портативных или мобильных систем. Акцент на работе от аккумулятора привел ко многим достижениям в снижении напряжения процессора, поскольку это оказывает значительное влияние на срок службы аккумулятора. Второе важное преимущество заключается в том, что при меньшем напряжении и, следовательно, меньшем энергопотреблении будет выделяться меньше тепла. Процессоры, которые работают с меньшим нагревом, могут быть упакованы в системы более плотно и будут работать дольше. Третье важное преимущество заключается в том, что процессор, работающий с меньшим нагревом и меньшим энергопотреблением, может работать быстрее. Снижение напряжения стало одним из ключевых факторов, позволяющих тактовой частоте процессоров становиться все выше и выше. [5]
Плотность и скорость интегральных схемных вычислительных элементов росли экспоненциально в течение нескольких десятилетий, следуя тенденции, описанной законом Мура . Хотя общепризнано, что эта экспоненциальная тенденция улучшения закончится, неясно, насколько плотными и быстрыми станут интегральные схемы к тому времени, когда эта точка будет достигнута. Были продемонстрированы рабочие устройства, изготовленные с длиной канала транзистора MOSFET 6,3 нанометра с использованием обычных полупроводниковых материалов, и были созданы устройства, использующие углеродные нанотрубки в качестве затворов MOSFET, что дает длину канала приблизительно в 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] Этот рост потребления происходит даже несмотря на то, что энергия, потребляемая одним логическим вентилем КМОП для изменения его состояния, экспоненциально снижается в соответствии с законом Мура, в силу сжатия. [6]
Микросхема интегральной схемы содержит множество емкостных нагрузок, сформированных как преднамеренно (как емкость затвор-канал), так и непреднамеренно (между проводниками, которые находятся рядом друг с другом, но не соединены электрически). Изменение состояния схемы вызывает изменение напряжения на этих паразитных емкостях , что влечет за собой изменение количества накопленной энергии. Поскольку емкостные нагрузки заряжаются и разряжаются через резистивные устройства, количество энергии, сопоставимое с тем, что хранится в конденсаторе, рассеивается в виде тепла:
Эффект рассеивания тепла при изменении состояния заключается в ограничении объема вычислений, которые могут быть выполнены в рамках заданного бюджета мощности. Хотя уменьшение размеров устройства может уменьшить некоторые паразитные емкости, количество устройств на кристалле интегральной схемы увеличилось более чем достаточно, чтобы компенсировать уменьшение емкости в каждом отдельном устройстве. Некоторые схемы — например, динамическая логика — требуют минимальной тактовой частоты для правильной работы, тратя «динамическую мощность», даже когда они не выполняют полезных вычислений. Другие схемы — наиболее известная из них RCA 1802 , а также несколько более поздних чипов, таких как WDC 65C02 , Intel 80C85 , Freescale 68HC11 и некоторые другие чипы CMOS — используют «полностью статическую логику», которая не имеет минимальной тактовой частоты, но может «остановить часы» и удерживать свое состояние бесконечно. Когда часы остановлены, такие схемы не используют динамическую мощность, но у них все еще есть небольшое статическое потребление мощности, вызванное током утечки.
По мере уменьшения размеров схемы подпороговый ток утечки становится более заметным. Этот ток утечки приводит к потреблению энергии, даже когда не происходит переключения (статическое потребление энергии). В современных микросхемах этот ток обычно составляет половину мощности, потребляемой ИС.
Потери от подпороговой утечки можно уменьшить, повысив пороговое напряжение и понизив напряжение питания. Оба эти изменения значительно замедляют схему. Чтобы решить эту проблему, некоторые современные маломощные схемы используют двойные напряжения питания для повышения скорости на критических путях схемы и снижения энергопотребления на некритических путях. Некоторые схемы даже используют разные транзисторы (с разными пороговыми напряжениями) в разных частях схемы, пытаясь еще больше снизить энергопотребление без существенной потери производительности.
Другим методом, который используется для снижения энергопотребления, является power gating : [7] использование спящих транзисторов 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, и, следовательно, снижение энергопотребления является ключевой проблемой проектирования для этих систем. Отключая функциональный, но протекающий блок до тех пор, пока он не будет использован, можно значительно снизить ток утечки. Для некоторых встроенных систем, которые работают только в течение коротких периодов времени, это может значительно снизить энергопотребление.
Существуют также два других подхода к снижению накладных расходов на изменение состояния. Один из них заключается в снижении рабочего напряжения схемы, как в двухвольтовом ЦП , или в снижении изменения напряжения, связанного с изменением состояния (выполнение только изменения состояния, изменение напряжения узла на долю напряжения питания — например, низковольтная дифференциальная сигнализация ). Этот подход ограничен тепловым шумом внутри схемы. Существует характерное напряжение (пропорциональное температуре устройства и постоянной Больцмана ), которое напряжение переключения состояния должно превышать, чтобы схема была устойчива к шуму. Обычно оно составляет порядка 50–100 мВ для устройств, рассчитанных на внешнюю температуру 100 градусов Цельсия (около 4 kT , где T — внутренняя температура устройства в градусах Кельвина , а k — постоянная Больцмана ).
Второй подход заключается в попытке подачи заряда на емкостные нагрузки через пути, которые не являются в первую очередь резистивными. Это принцип, лежащий в основе адиабатических цепей . Заряд подается либо от индуктивного источника питания с переменным напряжением, либо от других элементов в обратимой логической схеме. В обоих случаях передача заряда должна в первую очередь регулироваться нерезистивной нагрузкой. Как практическое правило, это означает, что скорость изменения сигнала должна быть медленнее, чем та, которая диктуется постоянной времени RC управляемой схемы. Другими словами, цена сниженного энергопотребления на единицу вычислений — это сниженная абсолютная скорость вычислений. На практике, хотя адиабатические схемы были построены, для них было трудно существенно снизить вычислительную мощность в практических схемах.
Наконец, существует несколько методов сокращения количества изменений состояния, связанных с данным вычислением. Для схем с тактовой логикой используется метод стробирования тактовых импульсов , чтобы избежать изменения состояния функциональных блоков, которые не требуются для данной операции. В качестве более экстремальной альтернативы подход с асинхронной логикой реализует схемы таким образом, что не требуется конкретный внешний тактовый импульс. Хотя оба эти метода используются в разной степени в проектировании интегральных схем, предел практической применимости для каждого из них, по-видимому, достигнут. [ необходима цитата ]
Существует множество методов снижения количества энергии батареи, необходимой для желаемой беспроводной связи . [ 8] Некоторые беспроводные ячеистые сети используют «умные» маломощные методы вещания, которые снижают энергию батареи, необходимую для передачи. Этого можно достичь с помощью протоколов с учетом мощности и совместных систем управления питанием.
В 2007 году около 10% среднего ИТ-бюджета было потрачено на электроэнергию, а к 2010 году ожидалось, что расходы на электроэнергию для ИТ вырастут до 50%. [9]
Вес и стоимость систем электропитания и охлаждения обычно зависят от максимально возможной мощности, которая может быть использована в любой момент времени. Существует два способа предотвратить постоянное повреждение системы из-за чрезмерного нагрева. Большинство настольных компьютеров проектируют системы электропитания и охлаждения с учетом наихудшего случая рассеивания мощности ЦП при максимальной частоте, максимальной рабочей нагрузке и наихудших условиях окружающей среды. Чтобы уменьшить вес и стоимость, многие ноутбуки выбирают гораздо более легкую и недорогую систему охлаждения, разработанную с учетом гораздо более низкой тепловой расчетной мощности , которая несколько выше ожидаемой максимальной частоты, типичной рабочей нагрузки и типичной среды. 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.
Расходы на электроэнергию, которые сейчас составляют около 10% от среднего бюджета на ИТ, могут вырасти до 50% ... к 2010 году.
