Modulacja w czasie rzeczywistym pozwala na zminimalizowanie zużycia energii przez procesor
Internet rzeczy ma umożliwić podłączenie praktycznie dowolnego urządzenia do sieci. Proces ten już się rozpoczął w przypadku wielu różnych urządzeń, od produktów gospodarstwa domowego, przez urządzenia przeznaczone do noszenia na ciele, po rozwiązania z zakresu inteligentnego rolnictwa i systemy opieki zdrowotnej. Główną przeszkodą utrudniającą połączenie tych wszystkich urządzeń bez rozładowania ich baterii w ciągu kilku sekund jest optymalizacja zużycia energii niezbędnej do przetwarzania wszystkich danych, które mają być współdzielone. W ramach finansowanego przez UE projektu MINIMA (Introducing the next computing power revolution: Minima microprocessor technology to reduce the energy need of digital computing by 20 times) opracowano technologię pozwalającą na nawet dwudziestokrotne zmniejszenie zużycia energii przez praktycznie każde urządzenie wykorzystujące obliczenia cyfrowe. Mogłaby ona umożliwić szybsze wdrożenie internetu rzeczy.
Dynamiczna modulacja pozwala osiągnąć minimalne zużycie energii w czasie rzeczywistym
Procesor jest „mózgiem” każdego urządzenia cyfrowego. Jest to mały układ elektroniczny zawierający miliardy tranzystorów. Ponieważ zużycie energii przez tranzystor jest proporcjonalne do kwadratu jego napięcia roboczego, rozwiązania niskoenergetyczne, które obniżają to napięcie, są przedmiotem intensywnych prac rozwojowych. Uczestnicy projektu MINIMA skupili się na osiągnięciu minimalnego zużycia energii w czasie rzeczywistym poprzez dynamiczną modulację całego systemu sprzętowo-programowego. Technologia ta wykorzystuje minimalny punkt energii, definiowany jako napięcie robocze, przy którym całkowite zużycie energii na operację ulega zminimalizowaniu. Jak wyjaśnia Lauri Koskinen, koordynator projektu i dyrektor technologiczny w firmie Minima Processor: „Projekt MINIMA wykorzystuje model dostarczania własności intelektualnej, który zakłada całościowe podejście do problemu, od najmniejszych i najbardziej podstawowych elementów fizycznych składających się na procesor aż po oprogramowanie. W odróżnieniu od podejść statycznych, które mają na celu umożliwienie energooszczędnej pracy zespołu bramek, dynamiczna optymalizacja napięcia (ang. „dynamic margining”) jest połączonym rozwiązaniem sprzętowo-programowym, które umożliwia urządzeniu dostosowywanie w czasie rzeczywistym zużycia energii podczas pracy w odpowiedzi na potrzeby dotyczące wydajności, zmiany procesu lub warunki środowiskowe”.
Światowy rekord w komercyjnym zastosowaniu
Firma Minima Processor osiągnęła już rekordowy minimalny punkt energii, wynoszący 3,15 pJ na operację na 32-bitowym procesorze, co oznacza aż 15–20 razy mniejsze zużycie energii w porównaniu z konstrukcją o standardowym napięciu. Dzięki dofinansowaniu projektu MINIMA ze środków unijnych, zespół zoptymalizował tę technologię. Jak wyjaśnia Koskinen: „Udało nam się utrzymać korzyści dotyczące zużycia energii, a jednocześnie ułatwić wdrażanie i testowanie technologii, co stanowi kluczowy atut w szybko rozwijającej się branży półprzewodników”. Technologia Minima pozwala w pełni wykorzystać potencjał dowolnej jednostki CPU lub procesora sygnałowego. Dostawcy układów SoC, jak np. Texas Instruments, mogą wykorzystać niższe zużycie energii do zwiększenia żywotności baterii lub stworzenia nowych funkcji bez pogorszenia żywotności baterii. Firma Minima nawiązała już współpracę z przedsiębiorstwami NXP i ARM. Koskinen podsumowuje: „Założyliśmy firmę jako naukowcy, a nasz niezwykle wysoko wykwalifikowany zespół techniczny szybko stał się poważną konkurencją dla innych zespołów działających w branży od wielu lat. Pierwszy produkt trafi już niedługo do fabryki półprzewodników”. Dzięki poprawie wydajności i zużycia energii za sprawą technologii MINIMA, rozwój internetu rzeczy powinien znacząco przyspieszyć. Biorąc pod uwagę fakt, że coraz więcej rzeczy jest ze sobą połączone, zwiększona wydajność i efektywność energetyczna wynikająca z technologii opracowanych w ramach projektu MINIMA pozwoli na szybkie zrealizowanie tej wizji i przeniesienie jej z kart powieści fantastyczno-naukowych do rzeczywistości.
Słowa kluczowe
MINIMA, energia, zużycie energii, procesor, internet rzeczy, napięcie, cyfrowy, minimalny punkt energii, internet, bateria, dynamiczna optymalizacja napięcia, półprzewodnik
