Fatores-chave para otimizar o consumo de energia em um dispositivo embarcado

No artigo anterior, aprendemos o que é um sistema de baixo consumo de energia, então agora falaremos sobre os principais fatores com os quais podemos criar um projeto de sistema embarcado com baixo consumo de energia.

Fig 1. Sistema embarcado com baixo consumo de energia

O sistema embarcado com baixo consumo de energia é composto pelo design de hardware e software, juntamente com a seleção adequada de componentes. A otimização é alcançada pela implementação eficiente em diferentes estágios, utilizando diferentes técnicas. As técnicas disponíveis são fornecidas abaixo.

Fig.2: Níveis de fluxo de projeto

Níveis mais elevados de técnicas de redução de potência incluem níveis de sistema, algoritmos e arquitetura, bem como níveis mais baixos de técnicas de redução de potência, incluindo nível de circuito e processo. Os níveis mais altos proporcionam maiores quantidades de redução de energia para projetos de chips, dando aos projetistas um maior grau de liberdade para implementar técnicas de projeto de baixo consumo de energia (até 70% de redução). Conseqüentemente, o processo de otimização de energia é o método mais eficaz para níveis mais elevados de abstração. Vamos aprender mais sobre esses níveis em detalhes.

Nível do sistema
O nível do sistema geralmente inclui as técnicas que podem ser implementadas durante a fabricação personalizada de ICs ou no projeto de hardware. As técnicas de nível de sistema são as seguintes:

• Particionamento de hardware/software. O mapeamento de um nível de sistema em componentes específicos de hardware (FPGA, ASIC etc.) e software (código executado em CPU, MCU etc.) com base em seus requisitos.
• Caracterização da tarefa. Esta etapa ajuda no desenvolvimento de uma estratégia de implementação de baixo consumo de energia para caracterizar tarefas de acordo com a frequência de processamento, tempo de processamento e alternativas de algoritmo de hardware. Isto é importante porque as estratégias de implementação dependerão fortemente destas características.

Nível algorítmico
As decisões de projeto mais eficazes derivam da escolha e otimização de algoritmos nos níveis mais altos. Esta técnica é utilizada neste nível onde o número de operações que requerem maior potência é reduzido. Esta abordagem também reduz o número de atividades de comutação, o que leva a uma diminuição na capacitância comutada de todo o sistema, reduzindo assim o consumo dinâmico de energia do sistema. Por exemplo, as unidades aritméticas ou de registro de um microprocessador funcionarão apenas quando tais comandos lógicos forem invocados, portanto, podemos desabilitar os comandos lógicos que não estão em uso durante um determinado ciclo de clock.

Nível arquitetônico
Diferentes técnicas em nível arquitetônico são aplicadas para minimizar a dissipação dinâmica de potência em circuitos aritméticos, especialmente em multiplicadores digitais. Algumas das técnicas de nível arquitetônico são:

• Paralelismo. A execução simultânea de vários programas ou de vários blocos de um programa é conhecida como processamento paralelo. O paralelismo pode ser feito por arquitetura multi-core. Ao replicar o mesmo núcleo várias vezes, as entradas recebidas são aplicadas a diferentes núcleos em sequência.
• Escala de tensão. Nesta técnica, a tensão operacional geral do dispositivo é mantida baixa para toda a placa, pois o consumo de energia é diretamente proporcional à tensão operacional. Por exemplo, se todos os chips puderem funcionar em 2,7 V, você manteria uma margem de 1 V e definiria essa tensão para a placa. Quando a tensão de alimentação do processador é reduzida, a velocidade do sistema diminui. Para complementar isso, técnicas de software como pipeline podem ser usadas para manter o rendimento do sistema explicado nas técnicas de software.
• Pipeline. O processo de acumulação de instruções do processador por meio de um pipeline. Permite armazenar e executar instruções em um processo ordenado. O pipeline não reduz a potência por si só, mas, em vez disso, reduz o atraso do caminho crítico ao inserir registradores entre a lógica combinacional. O pipeline também reduz as instruções por ciclo de clock (IPC), devido às altas penalidades de previsão incorreta de ramificação e outros perigos, e assim pode reduzir a eficiência energética. A folga de temporização do pipeline pode ser usada para escalonamento de tensão e redução de porta para obter economias de energia significativas.

Nível de lógica e circuito
Os níveis de lógica e circuito geralmente incluem técnicas que podem ser implementadas durante a fabricação personalizada de CIs ou no projeto de hardware e software. Algumas das técnicas de lógica e nível de circuito são:

• Dimensionamento de transistores. O processo de redução ou aumento da largura do canal do transistor no momento da fabricação. Quanto menores forem os transistores, mais transistores cabem em um chip e mais rápido e eficiente o processador pode ser. Por exemplo, se o tamanho do transistor for 25 μm, a corrente do drive será de apenas 0,9mA e se o tamanho for 100 μmk, a corrente do drive será 20mA.
• Controle de relógio. Uma técnica usada em muitos circuitos síncronos para reduzir a dissipação dinâmica de energia, removendo o sinal de clock quando o circuito não está em uso. Isso pode ser conseguido adicionando Enable Circuit que passará pelo uso do clock quando Enable estiver alto e vice-versa. Esses circuitos podem ser uma porta, buffer de três estados, trava, etc.

Nível de Processo/Tecnologia

Tensão de limiar. A redução da oscilação de tensão (oscilação é a diferença entre a tensão máxima de saída e a tensão mínima de saída) e a redução da capacitância efetiva de carga (soma da capacitância de carga e da capacitância parasita), reduzindo a dissipação de energia. Além disso, a redução do VDD em caminhos não críticos ajudará na redução do consumo de energia.

Seleção de componentes

• Uso de circuitos mais estáticos do que dinâmicos, pois a perda de potência estática é muito menor em um circuito lógico dinâmico.
• Selecionar a tensão de entrada correta para a placa incorporada é importante, quer estejamos usando uma bateria ou um adaptador para a fonte de alimentação. Por exemplo, se todos os circuitos da placa forem alimentados por 5 V ou 3,3 V, usar uma entrada de alimentação de 5 V – 6 V é melhor do que usar uma entrada de 12/24 V CC ou uma entrada de bateria.
• Os circuitos de reforço são geralmente ineficientes. Se você tiver a opção de usar a conversão buck, use buck em vez de boost.
• A corrente quiescente de uma fonte de alimentação é a quantidade de corrente que é consumida com carga zero ou sem carga. Sempre use uma fonte de alimentação de baixa corrente quiescente, pois ela tem eficiência muito alta na faixa de corrente que seu circuito consumirá.

Fig. 3: Fonte de alimentação de corrente quiescente

Nível de projeto de circuito O projetista tem várias opções ao projetar um sistema de baixo consumo de energia, incluindo o seguinte:

• Escolha os componentes de baixo consumo de energia no design. Por exemplo, ao selecionar um IC, considere um IC com baixo consumo de energia (ativo/inativo) e baixa tensão operacional.
• Otimize o tamanho do PCB de forma que você possa minimizar o consumo de energia dos circuitos eletrônicos.
• Posicionamento do componente de forma que o comprimento da trilha do sinal possa ser minimizado e o tempo de propagação do sinal seja o mais rápido possível para minimizar qualquer perda de potência.

Benefícios do projeto de sistema embarcado de baixo consumo de energia

• Um sistema de baixa potência produz menos quantidade de calor, o que é bom para o meio ambiente.
• O ciclo de trabalho do sistema embarcado é melhorado devido à menor dissipação de energia.
• O sistema de baixo consumo de energia também ajuda a reduzir o custo de produção, pois esses sistemas serão mais simples e econômicos.

Conclusão
O projeto e a avaliação bem-sucedidos de um sistema embarcado requerem gerenciamento de energia adequado. Neste artigo, revisamos a maioria dos níveis de projeto onde as técnicas de redução de potência podem ser incorporadas.