Low-Power-Elektronik - Low-power electronics

Low-Power-Elektronik ist Elektronik, wie beispielsweise Notebook-Prozessoren , die dafür ausgelegt sind, weniger Strom als üblich zu verbrauchen, oft mit einem gewissen Aufwand. Bei Notebook-Prozessoren ist dieser Aufwand die Rechenleistung; Notebook-Prozessoren verbrauchen normalerweise weniger Strom als ihre Desktop-Pendants, auf Kosten einer geringeren Rechenleistung.

Geschichte

Uhren

Hauptartikel: Uhr

Die ersten Versuche, den Stromverbrauch eines elektronischen Geräts zu reduzieren, standen im Zusammenhang mit der Entwicklung der Armbanduhr . Elektronische Uhren benötigen Strom als Energiequelle, und einige mechanische Uhrwerke und hybride elektromechanische Uhrwerke benötigen ebenfalls Strom. In der Regel wird der Strom von einem austauschbaren Akku bereitgestellt . Die erste Verwendung von elektrischer Energie in Uhren war als Ersatz für die Aufzugsfeder , um das Aufziehen zu vermeiden. Die erste elektrisch betriebene Uhr, die Hamilton Electric 500 , wurde 1957 von der Hamilton Watch Company aus Lancaster, Pennsylvania, auf den Markt gebracht .

1976 wurden die ersten Quarz-Armbanduhren mit analogen Zeigern zur Zeitanzeige hergestellt.

Uhrenbatterien (genau genommen Zellen, da eine Batterie aus mehreren Zellen besteht) sind speziell für ihren Zweck konzipiert. Sie sind sehr klein und liefern über sehr lange Zeiträume (mehrere Jahre oder länger) kontinuierlich winzige Strommengen. In einigen Fällen erfordert das Ersetzen der Batterie einen Besuch in einer Uhrenwerkstatt oder einem Uhrenhändler. In einigen solarbetriebenen Uhren werden wiederaufladbare Batterien verwendet .

Die erste digitale elektronische Uhr war ein Pulsar- LED-Prototyp, der 1970 hergestellt wurde. Digitale LED-Uhren waren sehr teuer und für den normalen Verbraucher unerreichbar, bis 1975 Texas Instruments mit der Massenproduktion von LED-Uhren in einem Kunststoffgehäuse begann.

Bei den meisten Uhren mit LED-Anzeigen musste der Benutzer eine Taste drücken, um die angezeigte Zeit für einige Sekunden anzuzeigen, da LEDs so viel Strom verbrauchten, dass sie nicht kontinuierlich betrieben werden konnten. Uhren mit LED-Anzeigen waren einige Jahre lang beliebt, aber bald wurden die LED-Anzeigen von Flüssigkristallanzeigen (LCDs) abgelöst, die weniger Batteriestrom verbrauchten und viel bequemer zu bedienen waren, wobei das Display immer sichtbar war und kein Drücken erforderlich war bevor Sie die Uhrzeit sehen. Nur bei Dunkelheit musste man per Knopfdruck das Display mit einer winzigen Glühbirne beleuchten, später leuchten LEDs auf.

Die meisten elektronischen Uhren verwenden heute 32 kHz Quarzoszillatoren .

Ab 2013 sind Prozessoren, die speziell für Armbanduhren entwickelt wurden, die Prozessoren mit dem niedrigsten Stromverbrauch, die heute hergestellt werden – oft 4-Bit- , 32-kHz-Prozessoren.

Mobile Computing

Als Personalcomputer zum ersten Mal entwickelt wurden, war der Stromverbrauch kein Thema. Mit der Entwicklung tragbarer Computer erforderte jedoch die Notwendigkeit, einen Computer mit einem Batteriesatz zu betreiben, die Suche nach einem Kompromiss zwischen Rechenleistung und Stromverbrauch. Ursprünglich liefen die meisten Prozessoren sowohl die Kern- als auch die I/O-Schaltungen mit 5 Volt, wie beim Intel 8088, der vom ersten Compaq Portable verwendet wurde . Es wurde später auf 3,5, 3,3 und 2,5 Volt reduziert, um den Stromverbrauch zu senken. Zum Beispiel sank die Kernspannung des Pentium P5 von 5 V im Jahr 1993 auf 2,5 V im Jahr 1997.

Eine niedrigere Spannung führt zu einem geringeren Gesamtstromverbrauch, wodurch ein System kostengünstiger mit jeder vorhandenen Batterietechnologie betrieben werden kann und länger funktioniert. Dies ist für tragbare oder mobile Systeme von entscheidender Bedeutung. Die Betonung des Batteriebetriebs hat viele der Fortschritte bei der Senkung der Prozessorspannung vorangetrieben, da dies einen erheblichen Einfluss auf die Batterielebensdauer hat. Der zweite große Vorteil ist, dass mit weniger Spannung und damit weniger Stromverbrauch weniger Wärme produziert wird. Prozessoren, die kühler laufen, können dichter in Systeme gepackt werden und halten länger. Der dritte große Vorteil besteht darin, dass ein Prozessor, der mit weniger Leistung kühler läuft, schneller ausgeführt werden kann. Das Senken der Spannung war einer der Schlüsselfaktoren dafür, dass die Taktrate der Prozessoren immer höher werden konnte.

Elektronik

Computerelemente

Die Dichte und Geschwindigkeit von Rechenelementen mit integrierten Schaltkreisen hat über mehrere Jahrzehnte exponentiell zugenommen, einem Trend folgend, der durch das Mooresche Gesetz beschrieben wird . Obwohl allgemein akzeptiert wird, dass dieser exponentielle Verbesserungstrend enden wird, ist es unklar, wie dicht und schnell integrierte Schaltungen genau werden, wenn dieser Punkt erreicht ist. Es wurden Arbeitsgeräte demonstriert, die mit einer MOSFET- Transistorkanallänge von 6,3 Nanometern unter Verwendung herkömmlicher Halbleitermaterialien hergestellt wurden, und es wurden Geräte gebaut, die Kohlenstoffnanoröhren als MOSFET-Gates verwenden, was eine Kanallänge von ungefähr einem Nanometer ergibt . Die Dichte und Rechenleistung integrierter Schaltungen wird hauptsächlich durch Bedenken hinsichtlich der Verlustleistung begrenzt.

Der Gesamtstromverbrauch eines neuen Personalcomputers hat bei etwa 22% Wachstum pro Jahr zugenommen. Diese Verbrauchserhöhung kommt, obwohl die Energie, die ein einzelnes CMOS-Logikgatter verbraucht, um seinen Zustand zu ändern, gemäß dem Mooreschen Gesetz aufgrund von Schrumpfung exponentiell gefallen ist.

Ein Chip mit integrierter Schaltung enthält viele kapazitive Lasten, die sowohl absichtlich (wie bei der Gate-zu-Kanal-Kapazität) als auch unabsichtlich (zwischen Leitern, die nahe beieinander, aber nicht elektrisch verbunden sind) gebildet werden. Eine Änderung des Schaltungszustands bewirkt eine Änderung der Spannung an diesen parasitären Kapazitäten , was eine Änderung der gespeicherten Energiemenge mit sich bringt. Beim Laden und Entladen der kapazitiven Lasten durch ohmsche Geräte wird eine dem Kondensator vergleichbare Energiemenge als Wärme abgeführt:

Die Auswirkung der Wärmeableitung auf die Zustandsänderung besteht darin, den Rechenaufwand zu begrenzen, der innerhalb eines gegebenen Leistungsbudgets durchgeführt werden kann. Während die Geräteschrumpfung einige parasitäre Kapazitäten reduzieren kann, hat sich die Anzahl der Geräte auf einem integrierten Schaltungschip mehr als genug erhöht, um die verringerte Kapazität in jedem einzelnen Gerät auszugleichen. Einige Schaltungen – zum Beispiel dynamische Logik – benötigen eine minimale Taktrate, um richtig zu funktionieren, und verschwenden „dynamische Leistung“, auch wenn sie keine nützlichen Berechnungen durchführen. Andere Schaltungen – allen voran der RCA 1802 , aber auch einige spätere Chips wie der WDC 65C02 , der Intel 80C85 , der Freescale 68HC11 und einige andere CMOS- Chips – verwenden "vollstatische Logik", die keine Mindesttaktrate hat, aber " Stoppen Sie die Uhr" und halten Sie ihren Zustand auf unbestimmte Zeit. Wenn der Takt angehalten wird, verbrauchen solche Schaltungen keine dynamische Leistung, aber sie haben immer noch einen kleinen, statischen Stromverbrauch, der durch Leckstrom verursacht wird.

Wenn die Schaltungsabmessungen kleiner werden, wird der Leckstrom unterhalb der Schwelle stärker ausgeprägt. Dieser Leckstrom führt zu einem Stromverbrauch, auch wenn keine Umschaltung stattfindet (statischer Stromverbrauch). In modernen Chips macht dieser Strom im Allgemeinen die Hälfte der vom IC verbrauchten Leistung aus.

Reduzierung der Verlustleistung

Verluste durch Leckverluste unterhalb der Schwelle können durch Anheben der Schwellenspannung und Absenken der Versorgungsspannung verringert werden. Beide Änderungen verlangsamen die Strecke erheblich. Um dieses Problem anzugehen, verwenden einige moderne Schaltungen mit geringem Stromverbrauch doppelte Versorgungsspannungen, um die Geschwindigkeit auf kritischen Pfaden der Schaltung zu verbessern und den Stromverbrauch auf nicht kritischen Pfaden zu senken. Einige Schaltungen verwenden sogar unterschiedliche Transistoren (mit unterschiedlichen Schwellenspannungen) in verschiedenen Teilen der Schaltung, um den Stromverbrauch ohne signifikanten Leistungsverlust weiter zu reduzieren.

Eine andere Methode, die verwendet wird, um den Stromverbrauch zu reduzieren, ist das Power-Gating : die Verwendung von Schlaftransistoren, um ganze Blöcke zu deaktivieren, wenn sie nicht verwendet werden. Systeme, die für lange Zeiträume ruhen und "aufwachen", um eine periodische Aktivität durchzuführen, befinden sich oft an einem isolierten Ort, der eine Aktivität überwacht. Diese Systeme sind im Allgemeinen batterie- oder solarbetrieben und daher ist die Reduzierung des Stromverbrauchs ein zentrales Designproblem für diese Systeme. Durch das Abschalten eines funktionsfähigen, aber undichten Blocks bis zur Verwendung kann der Ableitstrom erheblich reduziert werden. Bei einigen eingebetteten Systemen, die nur für kurze Zeit funktionieren, kann dies den Stromverbrauch drastisch reduzieren.

Es gibt auch zwei andere Ansätze, um den Energieaufwand von Zustandsänderungen zu verringern. Eine besteht darin, die Betriebsspannung der Schaltung zu reduzieren, wie in einer Dual-Voltage-CPU , oder die Spannungsänderung zu reduzieren, die mit einer Zustandsänderung verbunden ist (nur eine Zustandsänderung vornehmen, die Knotenspannung um einen Bruchteil der Versorgungsspannung ändern – niedrige Spannung) Differenzsignalisierung , zum Beispiel). Dieser Ansatz wird durch thermisches Rauschen innerhalb der Schaltung begrenzt. Es gibt eine charakteristische Spannung (proportional zur Gerätetemperatur und zur Boltzmann-Konstante ), die die Zustandsschaltspannung überschreiten muss, damit die Schaltung rauschunempfindlich ist. Dies liegt typischerweise in der Größenordnung von 50–100 mV für Geräte, die für eine Außentemperatur von 100 Grad Celsius ausgelegt sind (etwa 4 kT , wobei T die Innentemperatur des Geräts in Kelvin und k die Boltzmann-Konstante ist ).

Der zweite Ansatz besteht darin, zu versuchen, die kapazitiven Lasten über Pfade mit Ladung zu versorgen, die nicht primär ohmsch sind. Dies ist das Prinzip der adiabatischen Schaltungen . Die Ladung wird entweder von einer induktiven Stromversorgung mit variabler Spannung oder von anderen Elementen in einer reversiblen Logikschaltung geliefert . In beiden Fällen muss der Ladungstransfer primär durch die ohmsche Last geregelt werden. Als praktische Faustregel bedeutet dies, dass die Änderungsrate eines Signals langsamer sein muss als die RC-Zeitkonstante der angesteuerten Schaltung. Mit anderen Worten, der Preis für einen verringerten Energieverbrauch pro Berechnungseinheit ist eine verringerte absolute Berechnungsgeschwindigkeit. Obwohl adiabatische Schaltungen gebaut wurden, war es in der Praxis schwierig für sie, die Rechenleistung in praktischen Schaltungen wesentlich zu reduzieren.

Schließlich gibt es mehrere Techniken zum Reduzieren der Anzahl von Zustandsänderungen, die einer gegebenen Berechnung zugeordnet sind. Für getaktete Logikschaltungen wird die Takt-Gating- Technik verwendet, um eine Zustandsänderung von Funktionsblöcken zu vermeiden, die für eine gegebene Operation nicht benötigt werden. Als extremere Alternative implementiert der asynchrone Logikansatz Schaltungen so, dass ein spezieller extern zugeführter Takt nicht erforderlich ist. Obwohl diese beiden Techniken in unterschiedlichem Ausmaß beim Entwurf integrierter Schaltungen verwendet werden, scheint die Grenze der praktischen Anwendbarkeit für jede dieser Techniken erreicht worden zu sein.

Drahtlose Kommunikationselemente

Es gibt eine Vielzahl von Techniken zum Reduzieren der Menge an Batterieleistung, die für eine gewünschte drahtlose Kommunikationsleistung erforderlich ist . Einige drahtlose Mesh-Netzwerke verwenden "intelligente" Sendetechniken mit geringem Stromverbrauch , die die zum Senden erforderliche Batterieleistung reduzieren. Dies kann durch die Verwendung leistungsbewusster Protokolle und gemeinsamer Leistungssteuerungssysteme erreicht werden.

Kosten

Im Jahr 2007 wurden etwa 10 % des durchschnittlichen IT-Budgets für Energie ausgegeben, und die Energiekosten für die IT sollen bis 2010 auf 50 % steigen.

Das Gewicht und die Kosten von Stromversorgungs- und Kühlsystemen hängen im Allgemeinen von der maximal möglichen Leistung ab, die gleichzeitig verwendet werden kann. Es gibt zwei Möglichkeiten, um zu verhindern, dass ein System durch übermäßige Hitze dauerhaft beschädigt wird. Die meisten Desktop-Computer entwickeln Strom- und Kühlsysteme um die CPU-Verlustleistung im schlimmsten Fall bei maximaler Frequenz, maximaler Arbeitslast und Umgebung im schlimmsten Fall herum . Um Gewicht und Kosten zu reduzieren, verwenden viele Laptop-Computer ein viel leichteres, kostengünstigeres Kühlsystem, das um eine viel niedrigere Thermal Design Power herum ausgelegt ist, die etwas über der erwarteten maximalen Frequenz, typischen Arbeitslast und typischen Umgebung liegt. Typischerweise reduzieren (drosseln) solche Systeme die Taktrate, wenn die CPU-Chip-Temperatur zu hoch wird, wodurch die Verlustleistung auf ein Niveau reduziert wird, das das Kühlsystem verarbeiten kann.

Beispiele

Siehe auch

Verweise

Weiterlesen

Externe Links