Co to jest optymalizacja mocy?
Optymalizacja mocy to próba zmniejszenia mocy pobieranej przez urządzenia cyfrowe, takie jak układy scalone, poprzez zrównoważenie parametrów, takich jak rozmiar, wydajność i rozpraszanie ciepła. Jest to bardzo krytyczny obszar projektowania elementów elektronicznych, ponieważ wiele przenośnych urządzeń elektronicznych wymaga wysokiej wydajności przetwarzania przy niskim zużyciu energii. Komponenty muszą wykonywać złożone funkcje, a jednocześnie generować jak najmniej ciepła i hałasu, wszystkie umieszczone na bardzo małej powierzchni. Intensywnie badana dziedzina projektowania cyfrowego, optymalizacja zasilania ma zasadnicze znaczenie dla sukcesu komercyjnego wielu urządzeń.
Pomysł optymalizacji mocy w projektowaniu elektronicznym zaczął zyskiwać uwagę pod koniec lat 80. XX wieku dzięki powszechnemu stosowaniu urządzeń przenośnych. Żywotność baterii, efekty grzewcze i wymagania dotyczące chłodzenia stały się bardzo ważne zarówno ze względów środowiskowych, jak i ekonomicznych. Dopasowanie coraz bardziej złożonych komponentów do mniejszych rozmiarów układów stało się niezbędne, aby zapewnić produkcję mniejszych urządzeń o większej funkcjonalności. Ciepło wytwarzane przez włączenie tak wielu komponentów stało się jednak poważnym problemem. Na czynniki takie jak wydajność i niezawodność urządzenia ma również wpływ ciepło.
Aby skalować układy scalone, zmniejszać rozmiar matrycy i nadal osiągać szczytową wydajność w akceptowalnych temperaturach, konieczne jest inwestowanie czasu w metodologie optymalizacji mocy. Ręczna optymalizacja mocy staje się niemożliwa w przypadku istniejących układów scalonych, takich jak układy scalone, ponieważ zawierają one miliony komponentów. Zazwyczaj projektanci optymalizują moc, ograniczając marnotrawioną energię, którą są głównie spekulacje, straty architektoniczne i programowe. Wszystkie te metody mają na celu zmniejszenie marnotrawstwa energii od poziomu projektowania obwodu do wykonania i zastosowania.
Marnotrawstwo programu występuje, gdy wysokiej klasy mikroprocesor wykonuje polecenia, które nie są konieczne. Wykonywanie tych poleceń nie zmienia zawartości pamięci i rejestrów. Wyeliminowanie marnotrawstwa programu oznacza ograniczenie wykonywania martwych instrukcji i pozbycie się cichych sklepów. Odpady spekulacyjne zdarzają się, gdy procesor pobiera i wykonuje instrukcje poza nierozwiązanymi gałęziami. Straty architektoniczne zdarzają się, gdy struktury takie jak pamięci podręczne, predyktory gałęzi i kolejki instrukcji są za duże lub za małe.
Konstrukcje architektoniczne, zaprojektowane głównie do przechowywania dużych ilości, zwykle nie są w pełni wykorzystywane. I odwrotnie, zmniejszenie ich zwiększa również zużycie energii z powodu większej ilości błędów. Pomyślna optymalizacja mocy wymaga zastosowania podejścia systemowego poprzez wybranie komponentów zużywających bardzo mało energii. Wszystkie możliwe kombinacje tego typu komponentów można zbadać na etapie projektowania. Zmniejszenie ilości czynności przełączania potrzebnej w obwodzie zapewnia również mniejsze zużycie energii.
Niektóre inne podejścia do optymalizacji mocy obejmują bramkowanie zegara, tryby uśpienia i lepszą konstrukcję logiki. Retiming, równoważenie ścieżki i kodowanie stanów to inne metody logiczne, które mogą ograniczyć zużycie energii. Niektórzy projektanci mikroprocesorów używają również specjalnych formatów do kodowania plików projektowych, które wprowadzają funkcje sterowania oszczędzaniem energii.