الکترونیک کم مصرف

سیستم‌ها و قطعات الکترونیکی طراحی شده‌اند تا کمترین میزان ممکن را مصرف کنند

لوازم الکترونیکی کم مصرف، الکترونیکی هستند، مانند پردازنده‌های نوت‌بوک ، که به گونه‌ای طراحی شده‌اند که از انرژی الکتریکی کمتری نسبت به معمول استفاده می‌کنند، و اغلب با هزینه‌ای خاص. در مورد پردازنده های نوت بوک، این هزینه قدرت پردازش است. پردازنده‌های نوت‌بوک معمولاً انرژی کمتری نسبت به همتایان رومیزی خود مصرف می‌کنند و این به قیمت کاهش قدرت پردازشی است. ^[1]

تاریخچه

ساعت

اولین تلاش ها برای کاهش میزان برق مورد نیاز یک دستگاه الکترونیکی مربوط به توسعه ساعت مچی بود . ساعت های الکترونیکی به عنوان منبع انرژی به برق نیاز دارند و برخی از حرکات مکانیکی و حرکات الکترومکانیکی ترکیبی نیز به برق نیاز دارند. معمولا برق توسط یک باتری قابل تعویض تامین می شود . اولین استفاده از برق در ساعت ها به عنوان جایگزینی برای فنر اصلی بود تا نیاز به سیم پیچی را از بین ببرد. اولین ساعت برقی، Hamilton Electric 500 ، در سال 1957 توسط شرکت ساعت همیلتون در لنکستر، پنسیلوانیا عرضه شد .

اولین ساعت های مچی کوارتز در سال 1967 با استفاده از عقربه های آنالوگ برای نمایش زمان تولید شد. ^[2]

باتری های ساعت (به بیان دقیق سلول ها، زیرا باتری از سلول های متعدد تشکیل شده است) به طور ویژه برای هدف خود طراحی شده اند. آنها بسیار کوچک هستند و مقادیر اندکی نیرو را به طور مداوم برای دوره های بسیار طولانی (چند سال یا بیشتر) ارائه می دهند. در برخی موارد، تعویض باتری نیاز به مراجعه به تعمیرگاه یا فروشنده ساعت دارد. باتری های قابل شارژ در برخی از ساعت های خورشیدی استفاده می شود .

اولین ساعت الکترونیکی دیجیتال یک نمونه اولیه Pulsar LED بود که در سال 1970 تولید شد. ^[3] ساعت های LED دیجیتال تا سال 1975 بسیار گران بودند و برای مصرف کنندگان عادی دور از دسترس بودند، زمانی که Texas Instruments شروع به تولید انبوه ساعت های LED در داخل یک قاب پلاستیکی کرد.

اکثر ساعت‌های دارای نمایشگر LED نیاز دارند که کاربر دکمه‌ای را فشار دهد تا زمان نمایش داده شده را برای چند ثانیه ببیند، زیرا LED‌ها انرژی زیادی مصرف می‌کنند که نمی‌توان به طور مداوم کار کرد. ساعت‌های دارای نمایشگر LED برای چند سال محبوب بودند، اما به زودی نمایشگرهای ال‌ای‌دی جایگزین نمایشگرهای کریستال مایع (LCD) شدند که باتری کمتری مصرف می‌کردند و در استفاده بسیار راحت‌تر بودند، با نمایشگر همیشه قابل مشاهده و بدون نیاز به فشار دادن قبل از دیدن زمان را فشار دهید. فقط در تاریکی، باید دکمه ای را فشار می دادید تا صفحه نمایش با یک لامپ کوچک روشن شود و بعداً LED ها روشن شوند. ^[4]

اکثر ساعت های الکترونیکی امروزی از نوسانگرهای کوارتز 32.768 کیلوهرتز استفاده می کنند . ^[2]

از سال 2013، پردازنده‌هایی که مخصوص ساعت‌های مچی طراحی شده‌اند، کم‌مصرف‌ترین پردازنده‌هایی هستند که امروزه تولید می‌شوند – اغلب پردازنده‌های 4 بیتی و 32.768 کیلوهرتز.

محاسبات موبایل

زمانی که کامپیوترهای شخصی برای اولین بار توسعه یافتند، مصرف برق مشکلی نداشت. با توسعه رایانه‌های قابل حمل ، نیاز به راه‌اندازی رایانه بدون بسته باتری ، جستجو برای مصالحه بین توان محاسباتی و مصرف انرژی را ضروری کرد. در اصل اکثر پردازنده‌ها هم مدارهای هسته و هم مدارهای ورودی/خروجی را با ولتاژ ۵ ولت اجرا می‌کردند، همانطور که در Intel 8088 که توسط اولین Compaq Portable استفاده شد . بعداً برای کاهش مصرف برق به 3.5، 3.3 و 2.5 ولت کاهش یافت. به عنوان مثال، ولتاژ هسته پنتیوم P5 از 5 ولت در سال 1993 به 2.5 ولت در سال 1997 کاهش یافت.

با ولتاژ پایین‌تر، مصرف انرژی کلی کمتر می‌شود، که باعث می‌شود یک سیستم برای کار با هر فناوری باتری موجود ارزان‌تر باشد و بتواند برای مدت طولانی‌تری کار کند. این برای سیستم های قابل حمل یا سیار بسیار مهم است. تاکید بر عملکرد باتری باعث پیشرفت بسیاری در کاهش ولتاژ پردازنده شده است زیرا این امر تأثیر قابل توجهی بر عمر باتری دارد. دومین مزیت عمده این است که با ولتاژ کمتر و در نتیجه مصرف برق کمتر، گرمای کمتری تولید خواهد شد. پردازنده‌هایی که خنک‌تر کار می‌کنند را می‌توان محکم‌تر در سیستم‌ها قرار داد و عمر طولانی‌تری خواهند داشت. سومین مزیت اصلی این است که یک پردازنده خنک‌کننده با انرژی کمتر می‌تواند سریع‌تر کار کند. کاهش ولتاژ یکی از عوامل کلیدی در افزایش سرعت کلاک پردازنده ها بوده است. ^[5]

الکترونیک

عناصر محاسباتی

چگالی و سرعت عناصر محاسباتی مدار مجتمع برای چندین دهه به طور تصاعدی افزایش یافته است، به دنبال روندی که توسط قانون مور توضیح داده شده است . در حالی که به طور کلی پذیرفته شده است که این روند بهبود تصاعدی پایان خواهد یافت، دقیقاً مشخص نیست که مدارهای مجتمع تا رسیدن به این نقطه چقدر متراکم و سریع خواهند بود. دستگاه های کاری نشان داده شده اند که با طول کانال ترانزیستور ماسفت 6.3 نانومتر با استفاده از مواد نیمه هادی معمولی ساخته شده اند و دستگاه هایی ساخته شده اند که از نانولوله های کربنی به عنوان دروازه های ماسفت استفاده می کنند که طول کانال تقریباً یک نانومتر را می دهد . چگالی و قدرت محاسباتی مدارهای مجتمع عمدتاً به دلیل نگرانی‌های اتلاف توان محدود می‌شود.

مصرف انرژی کلی یک کامپیوتر شخصی جدید با رشدی حدود 22 درصد در سال افزایش یافته است. ^[6] این افزایش در مصرف حتی اگر انرژی مصرف شده توسط یک گیت منطقی CMOS منفرد به منظور تغییر حالت آن به دلیل انقباض، مطابق با قانون مور به طور تصاعدی کاهش یافته است. ^[6]

یک تراشه مدار مجتمع حاوی بارهای خازنی زیادی است که هم عمداً (مانند خازن گیت به کانال) و هم ناخواسته (بین رساناهایی که نزدیک یکدیگر هستند اما به طور الکتریکی متصل نیستند) ایجاد می شود. تغییر وضعیت مدار باعث تغییر ولتاژ در این خازن های انگلی می شود که شامل تغییر در مقدار انرژی ذخیره شده است. هنگامی که بارهای خازنی از طریق دستگاه های مقاومتی شارژ و تخلیه می شوند ، مقدار انرژی قابل مقایسه با انرژی ذخیره شده در خازن به عنوان گرما تلف می شود:

${\displaystyle E_{\mathrm {stored} }={1 \over 2}CU^{2}}$

تأثیر اتلاف گرما بر تغییر حالت، محدود کردن مقدار محاسباتی است که ممکن است در یک بودجه توان معین انجام شود. در حالی که انقباض دستگاه می تواند برخی از ظرفیت های انگلی را کاهش دهد، تعداد دستگاه های روی یک تراشه مدار مجتمع بیش از اندازه کافی برای جبران کاهش ظرفیت خازن در هر دستگاه جداگانه افزایش یافته است. برخی مدارها - برای مثال منطق دینامیک - برای عملکرد صحیح به حداقل نرخ کلاک نیاز دارند، حتی زمانی که محاسبات مفیدی را انجام نمی دهند، "قدرت دینامیکی" را هدر می دهند. مدارهای دیگر - برجسته‌ترین آنها، RCA 1802 ، اما همچنین چندین تراشه بعدی مانند WDC 65C02 ، Intel 80C85 ، Freescale 68HC11 و برخی دیگر از تراشه‌های CMOS - از «منطق کاملاً ثابت» استفاده می‌کنند که حداقل نرخ کلاک ندارد، اما می‌تواند ساعت را متوقف کنید» و وضعیت آنها را به طور نامحدود نگه دارید. هنگامی که ساعت متوقف می شود، چنین مدارهایی از توان دینامیکی استفاده نمی کنند، اما همچنان مصرف برق ساکن و کوچکی دارند که ناشی از جریان نشتی است.

با کوچک شدن ابعاد مدار، جریان نشتی زیرآستانه برجسته تر می شود. این جریان نشتی باعث مصرف برق می شود، حتی زمانی که هیچ سوئیچینگی انجام نمی شود (مصرف برق ساکن). در تراشه های مدرن، این جریان به طور کلی نیمی از توان مصرفی IC را تشکیل می دهد.

کاهش تلفات برق

تلفات ناشی از نشتی زیرآستانه را می توان با افزایش ولتاژ آستانه و کاهش ولتاژ تغذیه کاهش داد. هر دوی این تغییرات مدار را به طور قابل توجهی کند می کنند. برای رفع این مشکل، برخی از مدارهای کم مصرف مدرن از ولتاژ تغذیه دوگانه برای بهبود سرعت در مسیرهای بحرانی مدار و کاهش مصرف برق در مسیرهای غیر بحرانی استفاده می‌کنند. برخی از مدارها حتی از ترانزیستورهای مختلف (با ولتاژ آستانه متفاوت) در قسمت‌های مختلف مدار استفاده می‌کنند تا در تلاش برای کاهش بیشتر مصرف برق بدون افت عملکرد قابل توجه باشند.

روش دیگری که برای کاهش مصرف برق استفاده می شود، گیتینگ برق است : ^[7] استفاده از ترانزیستورهای خواب برای غیرفعال کردن کل بلوک ها در صورت عدم استفاده. سیستم‌هایی که برای مدت طولانی غیرفعال هستند و برای انجام یک فعالیت دوره‌ای «بیدار می‌شوند» اغلب در یک مکان مجزا هستند و یک فعالیت را زیر نظر دارند. این سیستم‌ها عموماً با باتری یا خورشیدی کار می‌کنند و از این رو، کاهش مصرف انرژی یکی از مسائل کلیدی طراحی این سیستم‌ها است. با خاموش کردن یک بلوک کاربردی اما نشتی تا زمانی که از آن استفاده شود، جریان نشتی را می توان به میزان قابل توجهی کاهش داد. برای برخی از سیستم‌های تعبیه‌شده که فقط برای دوره‌های کوتاه در یک زمان کار می‌کنند، این می‌تواند به طور چشمگیری مصرف برق را کاهش دهد.

دو رویکرد دیگر نیز برای کاهش سربار قدرت تغییرات دولت وجود دارد. یکی کاهش ولتاژ کاری مدار، مانند یک CPU دو ولتاژ ، یا کاهش تغییر ولتاژ مربوط به تغییر حالت (فقط تغییر حالت، تغییر ولتاژ گره با کسری از ولتاژ تغذیه - ولتاژ پایین). برای مثال سیگنالینگ دیفرانسیل ). این رویکرد توسط نویز حرارتی در مدار محدود شده است. یک ولتاژ مشخصه (متناسب با دمای دستگاه و ثابت بولتزمن ) وجود دارد که ولتاژ سوئیچینگ حالت باید از آن بیشتر شود تا مدار در برابر نویز مقاوم باشد. این معمولاً در مرتبه 50 تا 100 میلی ولت، برای دستگاه هایی با درجه حرارت خارجی 100 درجه سانتیگراد است (حدود 4 کیلو تن ، که در آن T دمای داخلی دستگاه بر حسب کلوین و k ثابت بولتزمن است ).

روش دوم تلاش برای تامین شارژ بارهای خازنی از طریق مسیرهایی است که اصولاً مقاومتی نیستند. این اصل پشت مدارهای آدیاباتیک است . شارژ یا از منبع تغذیه القایی با ولتاژ متغیر یا توسط عناصر دیگر در یک مدار منطقی برگشت پذیر تامین می شود . در هر دو مورد، انتقال شارژ باید در درجه اول توسط بار غیر مقاومتی تنظیم شود. به عنوان یک قاعده عملی عملی، این بدان معناست که نرخ تغییر یک سیگنال باید کندتر از نرخی باشد که توسط ثابت زمانی RC مدار در حال رانده می شود. به عبارت دیگر، قیمت کاهش مصرف توان به ازای هر واحد محاسبه، کاهش سرعت مطلق محاسبات است. در عمل، اگرچه مدارهای آدیاباتیک ساخته شده اند، کاهش توان محاسباتی به طور قابل ملاحظه ای در مدارهای عملی برای آنها دشوار بوده است.

در نهایت، چندین تکنیک برای کاهش تعداد تغییرات حالت مرتبط با یک محاسبات وجود دارد. برای مدارهای با منطق کلاک، از تکنیک دروازه‌بندی ساعت استفاده می‌شود تا از تغییر وضعیت بلوک‌های عملکردی که برای یک عملیات معین لازم نیستند، جلوگیری شود. به عنوان یک جایگزین شدیدتر، رویکرد منطق ناهمزمان مدارها را به گونه‌ای پیاده‌سازی می‌کند که به یک ساعت ارائه‌شده خارجی خاص نیاز نباشد. در حالی که هر دوی این تکنیک‌ها به میزان‌های متفاوتی در طراحی مدارهای مجتمع مورد استفاده قرار می‌گیرند، به نظر می‌رسد که محدودیت کاربرد عملی برای هر یک رسیده است. ^{[ نیازمند منبع ]}

عناصر ارتباطی بی سیم

تکنیک های مختلفی برای کاهش میزان باتری مورد نیاز برای یک ارتباط بی سیم مطلوب وجود دارد . ^[8] برخی از شبکه‌های مش بی‌سیم از تکنیک‌های "هوشمند" پخش کم توان استفاده می‌کنند که توان باتری مورد نیاز برای انتقال را کاهش می‌دهد. این را می توان با استفاده از پروتکل های آگاه از قدرت و سیستم های مشترک کنترل توان به دست آورد.

هزینه ها

در سال 2007، حدود 10 درصد از متوسط ​​بودجه فناوری اطلاعات صرف انرژی شد و انتظار می رفت که هزینه های انرژی برای فناوری اطلاعات تا سال 2010 به 50 درصد افزایش یابد ^.

وزن و هزینه سیستم های منبع تغذیه و خنک کننده به طور کلی به حداکثر توان ممکنی که می تواند در هر زمان استفاده شود بستگی دارد. دو راه برای جلوگیری از آسیب دائمی سیستم در اثر گرمای بیش از حد وجود دارد. اکثر رایانه‌های رومیزی سیستم‌های برق و خنک‌کننده را در بدترین حالت اتلاف توان CPU در حداکثر فرکانس، حداکثر حجم کار و بدترین محیط طراحی می‌کنند. برای کاهش وزن و هزینه، بسیاری از رایانه‌های لپ‌تاپ از یک سیستم خنک‌کننده بسیار سبک‌تر و کم‌هزینه‌تر استفاده می‌کنند که با توان طراحی حرارتی بسیار کمتر طراحی شده است ، که تا حدودی بالاتر از حداکثر فرکانس مورد انتظار، حجم کاری معمولی و محیط معمولی است. معمولاً چنین سیستم‌هایی وقتی دمای قالب CPU خیلی داغ می‌شود، نرخ ساعت را کاهش می‌دهند و توان تلف شده را تا حدی کاهش می‌دهند که سیستم خنک‌کننده بتواند از عهده آن برآید.

نمونه ها

• ترانس متا
• Acorn RISC Machine (ARM)
• ریزپردازنده AMULET
• میکروکنترلرهای نانو وات XLP PIC ریزتراشه
• میکروکنترلرهای Texas Instruments MSP430
• میکروکنترلرهای Energy Micro/Silicon Labs EFM32
• میکروکنترلرهای STM32 STMicroelectronics
• میکروکنترلرهای Atmel/Microchip SAM L

همچنین ببینید

• اتلاف توان پردازنده
• فرمت برق رایج
• سازماندهی داده برای توان کم
• مدیریت انرژی فناوری اطلاعات
• عملکرد در هر وات
• مدیریت نیرو
• محاسبات سبز
• مقیاس بندی فرکانس دینامیکی
• اورکلاک کردن
• آندرکلاک
• مقیاس ولتاژ دینامیک
• جداسازی عملوند
• رفع اشکال
• عملکرد محیطی مستقل

مراجع

1. «معانی حروف پردازنده اینتل [راهنمای ساده]». 2020-04-20.
2. Eric A. Vittoz. "ساعت الکترونیکی و مدارهای کم مصرف". 2008.
3. «همه به وقت خوب: مدیر HILCO EC نمونه اولیه اولین ساعت دیجیتال کارآمد جهان را به اسمیتسونیان اهدا کرد». نیروی تعاونی تگزاس فوریه 2012 . بازیابی شده در 2012-07-21 .
4. ثبت اختراع ایالات متحده 4,096,550 : W. Boller, M. Donati, J. Fingerle, P. Wild, Illuminating Arrangement for a Field-Effect Liquid-Crystal Display and Fabrication and Application of Illuminating Arrangement , ثبت شده در 15 اکتبر 197.
5. انواع و مشخصات ریزپردازنده، نوشته اسکات مولر و مارک ادوارد سوپر، 2001
6. Paul DeMone. "کوچک شدن باورنکردنی CPU: خطر تکثیر قدرت". 2004. [1]
7. K. Roy، و همکاران، "مکانیسم های جریان نشتی و تکنیک های کاهش نشتی در مدارهای CMOS زیر میکرومتری عمقی"، مجموعه مقالات IEEE، 2003. [2]
8. «نحوه استفاده از پروتکل‌های ذخیره انرژی بی‌سیم اختیاری برای کاهش چشمگیر مصرف انرژی» نوشته بیل مک فارلند ۲۰۰۸.
9. کینگ، راشل (2007-05-14). "جلوگیری از بحران انرژی فناوری اطلاعات". بیزینس ویک بایگانی شده از نسخه اصلی در 2013-01-05. هزینه های انرژی که اکنون حدود 10 درصد از بودجه متوسط ​​فناوری اطلاعات است، می تواند تا سال 2010 به 50 درصد افزایش یابد.

در ادامه مطلب

• Gaudet, Vincent C. (2014-04-01) [2013-09-25]. "فصل 4.1. تکنیک های طراحی کم مصرف برای آخرین فن آوری های CMOS". در Steinbach، Bernd [به آلمانی] (ویرایش). پیشرفت اخیر در دامنه بولی (1 ویرایش). نیوکاسل آپون تاین، انگلستان: انتشارات پژوهشگران کمبریج . ص 187-212. شابک 978-1-4438-5638-6. بازیابی شده 2019-08-04 .[3] (455 صفحه)

لینک های خارجی

• "ترکیب طراحی سطح بالا از یک پردازنده VLIW کم توان برای رمزگذار گفتار IS-54 VSELP" توسط راسل هنینگ و چایتالی چاکرابارتی (NB. به این معنی است که، به طور کلی، اگر الگوریتم اجرا شناخته شده باشد، سخت افزاری طراحی شده است که به طور خاص اجرا شود. آن الگوریتم نسبت به سخت افزار همه منظوره که آن الگوریتم را با سرعت یکسان اجرا می کند، توان کمتری مصرف می کند.)
• CRISP: A Scalable VLIW Processor for Low Power Systems Multimedia by Francisco Barat 2005
• شتاب دهنده حلقه برای پردازنده های VLIW جاسازی شده کم توان توسط بینو متیو و آل دیویس
• طراحی با توان بسیار کم توسط جک گانسل
• K. Roy and S. Prasad, Low-Power CMOS VLSI Circuit Design , John Wiley & Sons, Inc., ISBN 0-471-11488-X , 2000, 359 صفحه. 
• KS. Yeo and K. Roy, Low-Voltage Low-Power VLSI Subsystems , McGraw-Hill 2004, ISBN 0-07-143786-X , 294 صفحه.