Los dispositivos electrónicos de bajo consumo son dispositivos electrónicos, como los procesadores de portátiles , que han sido diseñados para utilizar menos energía eléctrica de lo habitual, a menudo con algún coste. En el caso de los procesadores de portátiles, este gasto es potencia de procesamiento; Los procesadores de portátiles suelen consumir menos energía que sus homólogos de escritorio, a expensas de una menor potencia de procesamiento. [1]
Los primeros intentos de reducir la cantidad de energía requerida por un dispositivo electrónico estuvieron relacionados con el desarrollo del reloj de pulsera . Los relojes electrónicos requieren electricidad como fuente de energía, y algunos movimientos mecánicos y movimientos electromecánicos híbridos también requieren electricidad. Normalmente, la electricidad la proporciona una batería reemplazable . El primer uso de la energía eléctrica en los relojes fue como sustituto del resorte real , para eliminar la necesidad de darle cuerda. El primer reloj eléctrico, el Hamilton Electric 500 , fue lanzado en 1957 por la Hamilton Watch Company de Lancaster, Pensilvania .
Los primeros relojes de pulsera de cuarzo se fabricaron en 1967 y utilizaban manecillas analógicas para mostrar la hora. [2]
Las pilas de reloj (en sentido estricto, pilas, ya que una batería se compone de varias celdas) están especialmente diseñadas para su finalidad. Son muy pequeños y proporcionan pequeñas cantidades de energía de forma continua durante períodos muy largos (varios años o más). En algunos casos, reemplazar la batería requiere una visita a un taller de reparación de relojes o a un distribuidor de relojes. En algunos relojes que funcionan con energía solar se utilizan baterías recargables .
El primer reloj electrónico digital fue un prototipo Pulsar LED producido en 1970. [3] Los relojes digitales LED eran muy caros y estaban fuera del alcance del consumidor común hasta 1975, cuando Texas Instruments comenzó a producir en masa relojes LED dentro de una caja de plástico.
La mayoría de los relojes con pantallas LED requerían que el usuario presionara un botón para ver la hora durante unos segundos porque los LED consumían tanta energía que no podían mantenerse funcionando continuamente. Los relojes con pantallas LED fueron populares durante algunos años, pero pronto las pantallas LED fueron reemplazadas por pantallas de cristal líquido (LCD), que consumían menos batería y eran mucho más cómodas de usar, con la pantalla siempre visible y sin necesidad de presionar un botón. antes de ver la hora. Sólo que en la oscuridad era necesario presionar un botón para iluminar la pantalla con una pequeña bombilla, que luego encendía los LED. [4]
La mayoría de los relojes electrónicos actuales utilizan osciladores de cuarzo de 32,768 KHz . [2]
A partir de 2013, los procesadores diseñados específicamente para relojes de pulsera son los de menor consumo fabricados en la actualidad: a menudo procesadores de 4 bits y 32,768 kHz.
Cuando se desarrollaron por primera vez las computadoras personales , el consumo de energía no era un problema. Sin embargo, con el desarrollo de las computadoras portátiles , el requisito de hacer funcionar una computadora con una batería requirió la búsqueda de un equilibrio entre la potencia informática y el consumo de energía. Originalmente, la mayoría de los procesadores ejecutaban tanto el núcleo como los circuitos de E/S a 5 voltios, como en el Intel 8088 utilizado por el primer Compaq Portable . Posteriormente se redujo a 3,5, 3,3 y 2,5 voltios para reducir el consumo de energía. Por ejemplo, el voltaje del núcleo del Pentium P5 disminuyó de 5 V en 1993 a 2,5 V en 1997.
Un voltaje más bajo conlleva un menor consumo general de energía, lo que hace que el sistema sea menos costoso de ejecutar con cualquier tecnología de batería existente y pueda funcionar durante más tiempo. Esto es de vital importancia para los sistemas portátiles o móviles. El énfasis en el funcionamiento con batería ha impulsado muchos de los avances en la reducción del voltaje del procesador porque esto tiene un efecto significativo en la duración de la batería. El segundo gran beneficio es que con menos voltaje y, por lo tanto, menos consumo de energía, se producirá menos calor. Los procesadores que funcionan a menor temperatura se pueden empaquetar en sistemas de manera más compacta y durarán más. El tercer beneficio importante es que un procesador que funciona más frío con menos energía puede funcionar más rápido. Reducir el voltaje ha sido uno de los factores clave para permitir que la velocidad de reloj de los procesadores aumente cada vez más. [5]
La densidad y velocidad de los elementos informáticos de los circuitos integrados ha aumentado exponencialmente durante varias décadas, siguiendo una tendencia descrita por la Ley de Moore . Si bien se acepta generalmente que esta tendencia de mejora exponencial terminará, no está claro exactamente qué tan densos y rápidos se volverán los circuitos integrados cuando se alcance este punto. Se han demostrado dispositivos en funcionamiento fabricados con un canal de transistor MOSFET de 6,3 nanómetros de longitud utilizando materiales semiconductores convencionales, y se han construido dispositivos que utilizan nanotubos de carbono como puertas MOSFET, dando una longitud de canal de aproximadamente un nanómetro . La densidad y la potencia de cálculo de los circuitos integrados están limitadas principalmente por cuestiones de disipación de potencia.
El consumo general de energía de una nueva computadora personal ha aumentado a aproximadamente un 22% por año. [6] Este aumento del consumo se produce a pesar de que la energía consumida por una única puerta lógica CMOS para cambiar su estado ha disminuido exponencialmente de acuerdo con la ley de Moore, en virtud de la contracción. [6]
Un chip de circuito integrado contiene muchas cargas capacitivas , formadas tanto intencionalmente (como en el caso de la capacitancia de puerta a canal) como no intencionalmente (entre conductores que están cerca uno del otro pero no conectados eléctricamente). Cambiar el estado del circuito provoca un cambio en el voltaje a través de estas capacitancias parásitas , lo que implica un cambio en la cantidad de energía almacenada. A medida que las cargas capacitivas se cargan y descargan a través de dispositivos resistivos , una cantidad de energía comparable a la almacenada en el condensador se disipa en forma de calor:
El efecto de la disipación de calor sobre el cambio de estado es limitar la cantidad de cálculo que se puede realizar dentro de un presupuesto de energía determinado. Si bien la contracción del dispositivo puede reducir algunas capacitancias parásitas, la cantidad de dispositivos en un chip de circuito integrado ha aumentado más que suficiente para compensar la capacitancia reducida en cada dispositivo individual. Algunos circuitos ( la lógica dinámica , por ejemplo) requieren una frecuencia de reloj mínima para funcionar correctamente, desperdiciando "potencia dinámica" incluso cuando no realizan cálculos útiles. Otros circuitos (el más destacado, el RCA 1802 , pero también varios chips posteriores como el WDC 65C02 , el Intel 80C85 , el Freescale 68HC11 y algunos otros chips CMOS ) utilizan "lógica totalmente estática" que no tiene una frecuencia de reloj mínima, pero que puede " detener el reloj" y mantener su estado indefinidamente. Cuando se detiene el reloj, dichos circuitos no utilizan energía dinámica, pero aún tienen un pequeño consumo de energía estática causado por la corriente de fuga.
A medida que las dimensiones del circuito se reducen, la corriente de fuga por debajo del umbral se vuelve más prominente. Esta corriente de fuga provoca un consumo de energía, incluso cuando no se produce ninguna conmutación (consumo de energía estática). En los chips modernos, esta corriente generalmente representa la mitad de la energía consumida por el CI.
La pérdida por fuga por debajo del umbral se puede reducir aumentando el voltaje umbral y reduciendo el voltaje de suministro. Ambos cambios ralentizan significativamente el circuito. Para abordar este problema, algunos circuitos modernos de baja potencia utilizan voltajes de suministro duales para mejorar la velocidad en rutas críticas del circuito y reducir el consumo de energía en rutas no críticas. Algunos circuitos incluso utilizan diferentes transistores (con diferentes voltajes umbral) en diferentes partes del circuito, en un intento de reducir aún más el consumo de energía sin una pérdida significativa de rendimiento.
Otro método que se utiliza para reducir el consumo de energía es la activación de energía : [7] el uso de transistores de suspensión para desactivar bloques enteros cuando no están en uso. Los sistemas que están inactivos durante largos períodos de tiempo y se "despiertan" para realizar una actividad periódica a menudo se encuentran en un lugar aislado monitoreando una actividad. Estos sistemas generalmente funcionan con baterías o energía solar y, por lo tanto, reducir el consumo de energía es una cuestión de diseño clave para estos sistemas. Al apagar un bloque funcional pero con fugas hasta que se utilice, la corriente de fuga se puede reducir significativamente. Para algunos sistemas integrados que sólo funcionan durante períodos cortos de tiempo, esto puede reducir drásticamente el consumo de energía.
También existen otros dos enfoques para reducir la sobrecarga de energía de los cambios de estado. Una es reducir el voltaje de operación del circuito, como en una CPU de doble voltaje , o reducir el cambio de voltaje involucrado en un cambio de estado (haciendo solo un cambio de estado, cambiando el voltaje del nodo en una fracción del voltaje de suministro : bajo voltaje) . señalización diferencial , por ejemplo). Este enfoque está limitado por el ruido térmico dentro del circuito. Existe un voltaje característico (proporcional a la temperatura del dispositivo y a la constante de Boltzmann ), que el voltaje de conmutación de estado debe exceder para que el circuito sea resistente al ruido. Esto suele ser del orden de 50 a 100 mV, para dispositivos clasificados para una temperatura externa de 100 grados Celsius (aproximadamente 4 kT , donde T es la temperatura interna del dispositivo en Kelvins y k es la constante de Boltzmann ).
El segundo enfoque es intentar proporcionar carga a las cargas capacitivas a través de caminos que no sean principalmente resistivos. Este es el principio detrás de los circuitos adiabáticos . La carga se suministra desde una fuente de alimentación inductiva de voltaje variable o mediante otros elementos en un circuito de lógica reversible . En ambos casos, la transferencia de carga debe estar regulada principalmente por la carga no resistiva. Como regla práctica, esto significa que la velocidad de cambio de una señal debe ser más lenta que la dictada por la constante de tiempo RC del circuito que se está activando. En otras palabras, el precio del consumo de energía reducido por unidad de cálculo es una velocidad absoluta de cálculo reducida. En la práctica, aunque se han construido circuitos adiabáticos, les ha resultado difícil reducir sustancialmente la potencia de cálculo en circuitos prácticos.
Finalmente, existen varias técnicas para reducir el número de cambios de estado asociados con un cálculo determinado. Para circuitos lógicos sincronizados, se utiliza la técnica de sincronización de reloj para evitar cambiar el estado de bloques funcionales que no son necesarios para una operación determinada. Como alternativa más extrema, el enfoque de lógica asíncrona implementa circuitos de tal manera que no se requiere un reloj específico suministrado externamente. Si bien ambas técnicas se utilizan en diferentes grados en el diseño de circuitos integrados, parece haberse alcanzado el límite de aplicabilidad práctica para cada una. [ cita necesaria ]
Existe una variedad de técnicas para reducir la cantidad de energía de la batería requerida para lograr el buen rendimiento de comunicación inalámbrica deseado . [8] Algunas redes de malla inalámbricas utilizan técnicas de transmisión "inteligentes" de baja potencia que reducen la energía de la batería necesaria para transmitir. Esto se puede lograr mediante el uso de protocolos de reconocimiento de energía y sistemas conjuntos de control de energía.
En 2007, alrededor del 10% del presupuesto promedio de TI se gastó en energía y se esperaba que los costos de energía para TI aumentaran al 50% en 2010. [9]
El peso y el coste de los sistemas de suministro de energía y refrigeración generalmente dependen de la potencia máxima posible que podría utilizarse en un momento dado. Hay dos formas de evitar que un sistema sufra daños permanentes debido al calor excesivo. La mayoría de las computadoras de escritorio diseñan sistemas de energía y enfriamiento en torno a la disipación de energía de la CPU en el peor de los casos a la frecuencia máxima, la carga de trabajo máxima y el entorno del peor de los casos. Para reducir el peso y el costo, muchas computadoras portátiles optan por utilizar un sistema de enfriamiento mucho más liviano y de menor costo diseñado en torno a una potencia de diseño térmico mucho menor , que está algo por encima de la frecuencia máxima esperada, la carga de trabajo típica y el entorno típico. Normalmente, estos sistemas reducen (aceleran) la velocidad del reloj cuando la temperatura de la CPU se calienta demasiado, reduciendo la potencia disipada a un nivel que el sistema de refrigeración puede soportar.
Los costos de energía, que actualmente representan alrededor del 10% del presupuesto promedio de TI, podrían aumentar al 50%... para 2010.
