Eletrônica de baixa potência - Low-power electronics

Eletrônicos de baixa potência são eletrônicos, como processadores de notebook , que foram projetados para usar menos energia elétrica do que o normal, geralmente com algum custo. No caso de processadores de notebook, essa despesa é a capacidade de processamento; processadores de notebook geralmente consomem menos energia do que seus equivalentes de desktop, às custas de menor poder de processamento.

História

Relógios

Artigo principal: assistir

As primeiras tentativas de reduzir a quantidade de energia exigida por um dispositivo eletrônico foram relacionadas ao desenvolvimento do relógio de pulso . Relógios eletrônicos requerem eletricidade como fonte de energia, e alguns movimentos mecânicos e movimentos eletromecânicos híbridos também requerem eletricidade. Normalmente, a eletricidade é fornecida por uma bateria substituível . O primeiro uso de energia elétrica em relógios foi como substituto da mola principal , para eliminar a necessidade de enrolamento. O primeiro relógio movido a eletricidade, o Hamilton Electric 500 , foi lançado em 1957 pela Hamilton Watch Company de Lancaster, Pensilvânia .

Os primeiros relógios de pulso de quartzo foram fabricados em 1976, usando ponteiros analógicos para mostrar as horas.

Baterias de relógios (células estritamente falando, já que uma bateria é composta de várias células) são especialmente projetadas para essa finalidade. Eles são muito pequenos e fornecem pequenas quantidades de energia continuamente por longos períodos (vários anos ou mais). Em alguns casos, a substituição da bateria requer uma visita a uma loja de conserto de relógios ou revendedor de relógios. Baterias recarregáveis ​​são usadas em alguns relógios movidos a energia solar .

O primeiro relógio eletrônico digital foi um protótipo Pulsar LED produzido em 1970. Os relógios digitais LED eram muito caros e fora do alcance do consumidor comum até 1975, quando a Texas Instruments começou a produzir em massa relógios LED dentro de uma caixa de plástico.

A maioria dos relógios com display de LED exigia que o usuário pressionasse um botão para ver a hora exibida por alguns segundos, porque os LEDs consumiam tanta energia que não podiam ser mantidos em operação contínua. Relógios com telas de LED foram populares por alguns anos, mas logo as telas de LED foram substituídas por telas de cristal líquido (LCDs), que usavam menos energia da bateria e eram muito mais convenientes de uso, com a tela sempre visível e sem necessidade de apertar um botão antes de ver a hora. Somente no escuro, era necessário apertar um botão para iluminar a tela com uma pequena lâmpada, depois iluminando LEDs.

A maioria dos relógios eletrônicos hoje usa osciladores de quartzo de 32 kHz .

Em 2013, os processadores projetados especificamente para relógios de pulso são os processadores de menor potência fabricados atualmente - geralmente processadores de 4 bits e 32 kHz.

Computação móvel

Quando os computadores pessoais foram desenvolvidos pela primeira vez, o consumo de energia não era um problema. Com o desenvolvimento de computadores portáteis , no entanto, a necessidade de operar um computador com bateria exigiu a busca de um meio-termo entre a capacidade de computação e o consumo de energia. Originalmente, a maioria dos processadores executava os circuitos de núcleo e E / S a 5 volts, como no Intel 8088 usado pelo primeiro Compaq Portable . Posteriormente, foi reduzido para 3,5, 3,3 e 2,5 volts para reduzir o consumo de energia. Por exemplo, a tensão do núcleo do Pentium P5 diminuiu de 5 V em 1993 para 2,5 V em 1997.

Com a tensão mais baixa, o consumo geral de energia é menor, tornando o sistema menos caro para funcionar com qualquer tecnologia de bateria existente e capaz de funcionar por mais tempo. Isso é extremamente importante para sistemas portáteis ou móveis. A ênfase na operação da bateria impulsionou muitos dos avanços na redução da tensão do processador porque isso tem um efeito significativo na vida da bateria. O segundo grande benefício é que, com menos tensão e, portanto, menos consumo de energia, haverá menos produção de calor. Os processadores que funcionam mais frios podem ser agrupados em sistemas com mais firmeza e durarão mais. O terceiro grande benefício é que um processador que funciona mais frio com menos energia pode funcionar mais rápido. Reduzir a voltagem tem sido um dos principais fatores para permitir que a taxa de clock dos processadores fique cada vez mais alta.

Eletrônicos

Elementos de computação

A densidade e a velocidade dos elementos de computação de circuito integrado aumentaram exponencialmente por várias décadas, seguindo uma tendência descrita pela Lei de Moore . Embora seja geralmente aceito que essa tendência de melhoria exponencial terminará, não está claro exatamente o quão denso e rápido os circuitos integrados se tornarão no momento em que esse ponto for atingido. Dispositivos de trabalho foram demonstrados que foram fabricados com um comprimento de canal do transistor MOSFET de 6,3 nanômetros usando materiais semicondutores convencionais, e dispositivos foram construídos que usam nanotubos de carbono como portas MOSFET, dando um comprimento de canal de aproximadamente um nanômetro . A densidade e o poder de computação dos circuitos integrados são limitados principalmente por questões de dissipação de energia.

O consumo geral de energia de um novo computador pessoal tem aumentado em cerca de 22% ao ano. Este aumento no consumo ocorre mesmo que a energia consumida por uma única porta lógica CMOS para alterar seu estado tenha caído exponencialmente de acordo com a lei de Moore, em virtude da redução.

Um chip de circuito integrado contém muitas cargas capacitivas , formadas intencionalmente (como com a capacitância porta-a-canal) e não intencionalmente (entre condutores próximos uns dos outros, mas não eletricamente conectados). Mudar o estado do circuito causa uma mudança na voltagem entre essas capacitâncias parasitas , o que envolve uma mudança na quantidade de energia armazenada. À medida que as cargas capacitivas são carregadas e descarregadas por meio de dispositivos resistivos , uma quantidade de energia comparável à armazenada no capacitor é dissipada como calor:

O efeito da dissipação de calor na mudança de estado é limitar a quantidade de computação que pode ser realizada dentro de um determinado orçamento de energia. Embora a redução do dispositivo possa reduzir algumas capacitâncias parasitas, o número de dispositivos em um chip de circuito integrado aumentou mais do que o suficiente para compensar a capacitância reduzida em cada dispositivo individual. Alguns circuitos - lógica dinâmica , por exemplo - requerem uma taxa de clock mínima para funcionar corretamente, desperdiçando "potência dinâmica" mesmo quando não realizam cálculos úteis. Outros circuitos - mais proeminentemente, o RCA 1802 , mas também vários chips posteriores, como o WDC 65C02 , o Intel 80C85 , o Freescale 68HC11 e alguns outros chips CMOS - usam "lógica totalmente estática" que não tem clock mínimo, mas podem " pare o relógio "e mantenha seu estado indefinidamente. Quando o relógio está parado, esses circuitos não usam energia dinâmica, mas ainda têm um pequeno consumo de energia estática causado pela corrente de fuga.

À medida que as dimensões do circuito encolhem, a corrente de fuga subliminar torna-se mais proeminente. Essa corrente de fuga resulta em consumo de energia, mesmo quando nenhuma comutação está ocorrendo (consumo de energia estática). Em chips modernos, essa corrente geralmente é responsável por metade da energia consumida pelo IC.

Reduzindo a perda de energia

A perda por vazamento sublimiar pode ser reduzida aumentando a tensão limite e diminuindo a tensão de alimentação. Ambas as mudanças tornam o circuito significativamente mais lento. Para resolver esse problema, alguns circuitos modernos de baixa potência usam tensões de alimentação dupla para melhorar a velocidade em caminhos críticos do circuito e reduzir o consumo de energia em caminhos não críticos. Alguns circuitos até usam transistores diferentes (com tensões de limiar diferentes) em diferentes partes do circuito, em uma tentativa de reduzir ainda mais o consumo de energia sem perda significativa de desempenho.

Outro método usado para reduzir o consumo de energia é o power gating : o uso de transistores sleep para desabilitar blocos inteiros quando não estiverem em uso. Os sistemas que ficam inativos por longos períodos de tempo e "despertam" para realizar uma atividade periódica geralmente estão em um local isolado monitorando uma atividade. Esses sistemas geralmente são alimentados por bateria ou solar e, portanto, reduzir o consumo de energia é uma questão fundamental de design para esses sistemas. Desligando um bloco funcional, mas com vazamento, até que seja usado, a corrente de vazamento pode ser reduzida significativamente. Para alguns sistemas embarcados que funcionam apenas por curtos períodos de cada vez, isso pode reduzir drasticamente o consumo de energia.

Duas outras abordagens também existem para reduzir a sobrecarga de energia das mudanças de estado. Uma é reduzir a tensão de operação do circuito, como em uma CPU de dupla tensão , ou reduzir a mudança de tensão envolvida em uma mudança de estado (fazendo apenas uma mudança de estado, mudando a tensão do nó por uma fração da tensão de alimentação - baixa tensão sinalização diferencial , por exemplo). Esta abordagem é limitada pelo ruído térmico dentro do circuito. Existe uma tensão característica (proporcional à temperatura do dispositivo e à constante de Boltzmann ), que a tensão de comutação de estado deve exceder para que o circuito seja resistente ao ruído. Isto é, tipicamente, da ordem de 50-100 mV, para dispositivos de avaliação de 100 graus Celsius de temperatura externa (cerca de 4 kT , onde T é a temperatura interna do dispositivo em graus Kelvin e k é a constante de Boltzmann ).

A segunda abordagem é tentar fornecer carga às cargas capacitivas por meio de caminhos que não são primariamente resistivos. Este é o princípio por trás dos circuitos adiabáticos . A carga é fornecida por uma fonte de alimentação indutiva de tensão variável ou por outros elementos em um circuito lógico reversível . Em ambos os casos, a transferência de carga deve ser regulada principalmente pela carga não resistiva. Como regra prática, isso significa que a taxa de mudança de um sinal deve ser mais lenta do que a ditada pela constante de tempo RC do circuito que está sendo acionado. Em outras palavras, o preço do consumo de energia reduzido por unidade de computação é uma velocidade absoluta de computação reduzida. Na prática, embora os circuitos adiabáticos tenham sido construídos, é difícil para eles reduzir substancialmente o poder de computação em circuitos práticos.

Finalmente, existem várias técnicas para reduzir o número de mudanças de estado associadas a um determinado cálculo. Para circuitos lógicos com clock, a técnica de clock gating é usada, para evitar a alteração do estado dos blocos funcionais que não são necessários para uma dada operação. Como uma alternativa mais extrema, a abordagem de lógica assíncrona implementa circuitos de forma que um relógio específico fornecido externamente não seja necessário. Embora ambas as técnicas sejam usadas em diferentes extensões no projeto de circuitos integrados, o limite de aplicabilidade prática de cada uma parece ter sido atingido.

Elementos de comunicação sem fio

Existem várias técnicas para reduzir a quantidade de energia da bateria necessária para um goodput de comunicação sem fio desejado . Algumas redes mesh sem fio usam técnicas "inteligentes" de transmissão de baixa potência que reduzem a carga da bateria necessária para transmitir. Isso pode ser conseguido usando protocolos de reconhecimento de potência e sistemas de controle de potência conjuntos.

Custos

Em 2007, cerca de 10% do orçamento médio de TI foi gasto em energia, e os custos de energia para TI deveriam aumentar para 50% até 2010.

O peso e o custo da fonte de alimentação e dos sistemas de resfriamento geralmente dependem da potência máxima possível que pode ser usada a qualquer momento. Existem duas maneiras de evitar que um sistema seja permanentemente danificado pelo calor excessivo. A maioria dos computadores desktop projeta sistemas de energia e resfriamento em torno do pior caso de dissipação de energia da CPU na frequência máxima, carga de trabalho máxima e ambiente de pior caso. Para reduzir peso e custo, muitos laptops optam por usar um sistema de resfriamento muito mais leve e de baixo custo projetado em torno de uma potência de design térmico muito mais baixa , que está um pouco acima da frequência máxima esperada, carga de trabalho típica e ambiente típico. Normalmente, esses sistemas reduzem (aceleram) a taxa de clock quando a temperatura do chip da CPU fica muito alta, reduzindo a potência dissipada a um nível que o sistema de resfriamento pode suportar.

Exemplos

Veja também

Referências

Leitura adicional

links externos