Nízkoenergetická elektronika - Low-power electronics

Nízkoenergetická elektronika je elektronika, například notebookové procesory , které byly navrženy tak, aby používaly méně elektrické energie než obvykle, často za určité náklady. V případě notebookových procesorů je tímto výdajem výpočetní výkon; procesory notebooků obvykle spotřebovávají méně energie než jejich desktopové protějšky, a to na úkor nižšího výpočetního výkonu.

Dějiny

Hodinky

Hlavní článek: hodinky

Nejčasnější pokusy o snížení množství energie vyžadované elektronickým zařízením souvisely s vývojem náramkových hodinek . Elektronické hodinky vyžadují jako zdroj energie elektřinu a elektřinu vyžadují i ​​některé mechanické pohyby a hybridní elektromechanické pohyby. Elektřina je obvykle zajištěna vyměnitelnou baterií . První použití elektrické energie v hodinkách bylo jako náhrada za hlavní pružinu , aby se odstranila potřeba vinutí. První elektricky poháněné hodinky, Hamilton Electric 500 , byly vydány v roce 1957 společností Hamilton Watch Company z Lancasteru v Pensylvánii .

První křemenné náramkové hodinky byly vyrobeny v roce 1976 pomocí analogových ručiček k zobrazení času.

Baterie hodinek (přesněji řečeno články, protože baterie se skládá z více článků) jsou speciálně navrženy pro svůj účel. Jsou velmi malé a nepřetržitě poskytují malé množství energie po velmi dlouhá období (několik let nebo více). V některých případech vyžaduje výměna baterie výlet do opravny hodinek nebo k prodejci hodinek. V některých hodinkách napájených solární energií se používají dobíjecí baterie .

První digitální elektronické hodinky byly prototypy LED Pulsar vyrobené v roce 1970. Digitální LED hodinky byly velmi drahé a běžnému spotřebiteli byly nedostupné až do roku 1975, kdy společnost Texas Instruments začala hromadně vyrábět LED hodinky uvnitř plastového pouzdra.

Většina hodinek s LED displeji vyžaduje, aby uživatel stiskl tlačítko, aby se zobrazil zobrazený čas na několik sekund, protože LED diody používaly tolik energie, že nemohly být udržovány v nepřetržitém provozu. Hodinky s LED displeji byly populární již několik let, ale brzy byly LED displeje nahrazeny displeji z tekutých krystalů (LCD), které spotřebovávaly méně energie z baterie a byly mnohem pohodlnější při používání, přičemž displej byl vždy viditelný a nebylo třeba na něj tlačit před zobrazením času. Pouze ve tmě jste museli stisknout tlačítko, abyste rozsvítili displej malou žárovkou, která později rozsvítila LED.

Většina elektronických hodinek dnes používá křemenné oscilátory 32 kHz .

Od roku 2013, procesory speciálně pro náramkové hodinky jsou nejníže power procesory vyráběné dnes často- 4-bit , 32 kHz procesory.

Mobilní výpočetní technika

Když byly osobní počítače poprvé vyvíjeny, nebyla spotřeba energie problémem. S vývojem přenosných počítačů však požadavek na spuštění počítače z baterie vyžadoval hledání kompromisu mezi výpočetním výkonem a spotřebou energie. Původně většina procesorů běžela jak jádro, tak I / O obvody na 5 voltů, jako u Intel 8088 používaného prvním Compaq Portable . Později byla snížena na 3,5, 3,3 a 2,5 voltu, aby se snížila spotřeba energie. Například napětí jádra Pentium P5 pokleslo z 5 V v roce 1993 na 2,5 V v roce 1997.

S nižším napětím přichází i nižší celková spotřeba energie, díky čemuž je systém levnější na provoz na jakékoli existující bateriové technologii a je schopen fungovat déle. To je zásadně důležité pro přenosné nebo mobilní systémy. Důraz na provoz na baterii způsobil mnoho pokroků při snižování napětí procesoru, protože to má významný vliv na životnost baterie. Druhou hlavní výhodou je, že s menším napětím, a tedy s nižší spotřebou energie, bude produkováno méně tepla. Procesory, které běží chladněji, lze do systémů zabalit pevněji a vydrží déle. Třetí hlavní výhodou je, že procesor s nižší spotřebou energie, který běží chladněji, lze provozovat rychleji. Snížení napětí bylo jedním z klíčových faktorů umožňujících vyšší a vyšší taktovací frekvenci procesorů.

Elektronika

Výpočetní prvky

Hustota a rychlost výpočetních prvků integrovaných obvodů se po několik desetiletí exponenciálně zvýšila, v návaznosti na trend popsaný Mooreovým zákonem . I když je všeobecně přijímáno, že tento trend exponenciálního vylepšení skončí, není jasné, jak přesně budou husté a rychlé integrované obvody dosaženy v době dosažení tohoto bodu. Byly předvedeny pracovní přístroje, které byly vyrobeny s MOSFET tranzistorovým kanálem o délce 6,3 nanometrů za použití konvenčních polovodičových materiálů, a byla zkonstruována zařízení, která používají uhlíkové nanotrubice jako MOSFET brány, což dává kanálu délku přibližně jeden nanometr . Hustota a výpočetní výkon integrovaných obvodů jsou omezeny primárně obavami o rozptyl energie.

Celková spotřeba energie nového osobního počítače roste přibližně o 22% ročně. Toto zvýšení spotřeby nastává, i když energie spotřebovaná jedinou logickou bránou CMOS za účelem změny jejího stavu exponenciálně poklesla v souladu s Moorovým zákonem na základě smrštění.

Čip integrovaného obvodu obsahuje mnoho kapacitních zátěží, vytvořených jak úmyslně (jako u kapacity gate-to-channel), tak neúmyslně (mezi vodiči, které jsou blízko sebe, ale nejsou elektricky připojeny). Změna stavu obvodu způsobí změnu napětí na těchto parazitních kapacitách , což zahrnuje změnu v množství uložené energie. Vzhledem k tomu, že kapacitní zátěže jsou nabíjeny a vybíjeny prostřednictvím odporových zařízení, množství energie srovnatelné s energií uloženou v kondenzátoru se rozptýlí jako teplo:

Vlivem rozptylu tepla na změnu stavu je omezení množství výpočtů, které lze provést v rámci daného rozpočtu na energii. Zatímco smršťování zařízení může snížit některé parazitní kapacity, počet zařízení na čipu integrovaného obvodu se zvýšil více než natolik, aby kompenzoval sníženou kapacitu v každém jednotlivém zařízení. Některé obvody - například dynamická logika - vyžadují pro správné fungování minimální taktovací frekvenci a plýtvání „dynamickým výkonem“, i když neprovádějí užitečné výpočty. Ostatní obvody - nejvýznamnější je RCA 1802 , ale také několik novějších čipů, například WDC 65C02 , Intel 80C85 , Freescale 68HC11 a některé další čipy CMOS - používají „plně statickou logiku“, která nemá minimální frekvenci, ale může zastavit hodiny “a držet jejich stav neomezeně dlouho. Když jsou hodiny zastaveny, takové obvody nepoužívají žádný dynamický výkon, ale stále mají malou statickou spotřebu energie způsobenou svodovým proudem.

Jak se rozměry obvodu zmenšují, podprahový svodový proud se stává výraznějším. Tento svodový proud má za následek spotřebu energie, i když nedochází k přepínání (statická spotřeba energie). V moderních čipech tento proud obecně představuje polovinu energie spotřebované IC.

Snížení ztráty energie

Ztráty z podprahového úniku lze snížit zvýšením prahového napětí a snížením napájecího napětí. Obě tyto změny výrazně zpomalují okruh. Abychom tento problém vyřešili, některé moderní obvody s nízkým výkonem používají duální napájecí napětí ke zlepšení rychlosti na kritických cestách obvodu a ke snížení spotřeby energie na nekritických cestách. Některé obvody dokonce používají různé tranzistory (s různými prahovými napětími) v různých částech obvodu, ve snaze dále snížit spotřebu energie bez významné ztráty výkonu.

Další metodou, která se používá ke snížení spotřeby energie, je power gating : použití spánkových tranzistorů k deaktivaci celých bloků, když se nepoužívají. Systémy, které jsou po dlouhou dobu v nečinnosti a „probouzí se“ k provádění periodické činnosti, jsou často v izolovaném místě sledujícím činnost. Tyto systémy jsou obecně napájeny z baterie nebo solární energie, a proto je snížení spotřeby energie klíčovým konstrukčním problémem těchto systémů. Vypnutím funkčního, ale netěsného bloku, dokud nebude použit, lze významně snížit svodový proud. U některých vestavěných systémů, které fungují pouze krátkodobě, to může dramaticky snížit spotřebu energie.

Existují také dva další přístupy ke snížení režijní síly změn stavu. Jedním z nich je snížení provozního napětí obvodu, jako u CPU s duálním napětím , nebo snížení změny napětí spojené se změnou stavu (pouze změna stavu, změna napětí uzlu o zlomek napájecího napětí - nízké napětí například diferenciální signalizace ). Tento přístup je omezen tepelným šumem v okruhu. Existuje charakteristické napětí (úměrné teplotě zařízení a Boltzmannově konstantě ), které musí stavové spínací napětí překročit, aby byl obvod odolný proti rušení. To je obvykle řádově 50–100 mV pro zařízení dimenzovaná na vnější teplotu 100 stupňů Celsia (přibližně 4 kT , kde T je vnitřní teplota zařízení v Kelvinech a k je Boltzmannova konstanta ).

Druhým přístupem je pokus poskytnout náboj kapacitní zátěži cestami, které nejsou primárně odporové. Toto je princip adiabatických obvodů . Náboj je dodáván buď z indukčního zdroje s proměnným napětím, nebo z jiných prvků v reverzně logickém obvodu. V obou případech musí být přenos náboje primárně regulován neodporovou zátěží. Z praktického hlediska to znamená, že rychlost změny signálu musí být pomalejší než rychlost diktovaná časovou konstantou RC poháněného obvodu. Jinými slovy, cena snížené spotřeby energie na výpočet jednotky je snížená absolutní rychlost výpočtu. V praxi, ačkoli byly adiabatické obvody postaveny, bylo pro ně obtížné podstatně snížit výpočetní výkon v praktických obvodech.

Nakonec existuje několik technik ke snížení počtu změn stavu souvisejících s daným výpočtem. U obvodů s taktovanou logikou se používá technika hodinového hradlování , aby se zabránilo změně stavu funkčních bloků, které nejsou pro danou operaci vyžadovány. Jako extrémnější alternativa asynchronní logický přístup implementuje obvody takovým způsobem, že nejsou vyžadovány konkrétní externě dodávané hodiny. I když se obě tyto techniky v návrhu integrovaných obvodů používají v různé míře, zdá se, že u každé z nich bylo dosaženo limitu praktické použitelnosti.

Bezdrátové komunikační prvky

K dispozici jsou různé techniky pro snížení množství energie baterie potřebné pro požadovanou bezdrátové komunikační propustnost . Některé bezdrátové sítě využívají „inteligentní“ techniky vysílání s nízkou spotřebou energie, které snižují energii baterie potřebnou k přenosu. Toho lze dosáhnout použitím protokolů podporujících napájení a společných systémů řízení výkonu.

Náklady

V roce 2007 bylo přibližně 10% průměrného rozpočtu IT vynaloženo na energii a předpokládalo se, že náklady na energii IT vzrostou do roku 2010 na 50%.

Hmotnost a cena systémů napájení a chlazení obecně závisí na maximálním možném výkonu, který lze kdykoli použít. Existují dva způsoby, jak zabránit trvalému poškození systému nadměrným teplem. Většina stolních počítačů navrhuje napájecí a chladicí systémy podle nejhoršího rozptylu výkonu procesoru při maximální frekvenci, maximální zátěži a nejhorším prostředí. Aby se snížila hmotnost a náklady, mnoho přenosných počítačů se rozhodlo použít mnohem lehčí a levnější chladicí systém navržený na základě mnohem nižšího tepelného návrhového výkonu , což je poněkud nad očekávanou maximální frekvencí, typickou pracovní zátěží a typickým prostředím. Typicky takové systémy snižují (škrtí) frekvenci hodin, když se teplota procesoru CPU příliš zahřeje, čímž se sníží rozptýlený výkon na úroveň, kterou zvládne chladicí systém.

Příklady

Viz také

Reference

Další čtení

externí odkazy