Elettronica per l’informatica - polito.itcorsiadistanza.polito.it/on-line/Elettronica_informatica/...1 1 Elettronica per l’informatica 2 Contenuto dell’unità D Conversione dell’energia

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Elettronica per l’informatica

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Contenuto dell’unità D

Conversione dell’energiametodi di conversione, tipi di conversioni e schemi

Alimentatori linearicomponentistica e tecnologieriferimenti di tensione, regolatori e filtri

Alimentatori a commutazionetecniche PWM, topologie buck, boost e buck-boostaccumulatori e caricabatterie

Pilotaggio di carichitecniche di pilotaggio, attuatori, carichi induttivi

Gestione della potenzaSistemi low-power, ottimizzazione potenza/prestazioni

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© 2004 Politecnico di Torino 1

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Elettronica per l'informatica Gestione della potenza

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Lezione D5

Gestione della potenza

Metodi di gestione della potenza

Ottimizzazione delle prestazioniGestione della potenza dissipata nei circuiti

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Ottimizzazione delle prestazioni

Gestione della potenza dissipata nei circuiti

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Efficienza energetica negli apparatiSistemi portatili

Aumento della durata delle batterieOttimizzazione del progetto

Sistemi “fissi”Minimizzazione dei costi di gestioneImpatto ambientale

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Disegno e progetto di apparati elettroniciHardware

ElaborazioneImmagazzinamentocomunicazioni

SoftwareSistemi operativiApplicazioni

Utilizzo di apparati elettroniciControllo e gestione in tempo reale

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Sistemi e componentiProgettati per sopportare picchi di funzionamento(corrente, tensione, temperatura, etc…)Queste condizioni avvengono raramente

Metodi per la gestione della potenzaGestione dinamica della potenza (DPM)

Vengono spenti o posti in stand-by i componentiNON utilizzati in un dato momento

Scalamento dinamico della tensioneRallentamento dei componenti non utilizzati(diminuzione della frequenza e della tensione)

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Computer portatiliLa maggior parte dell’energia è dissipata in display, hard disk e schede di rete

HDFunzionamento: 1.5 – 2.5 WIdle: 0.95 WSleep: 0.15 WSleep time: 0.67 sWake-up time: 1.5 s

WLANTrasmissione: 1.5 W Ricezione: 1.3 WSleep time: 60 msWake-up time: 30 ms

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ProcessoriFunzionamento normale: prestazioni massimeIdle: una routine software può fermare la CPU quando non viene utilizzata mentre comunquevengono monitorati gli interruptsSleep: shutdown completo di tutte le attività

Funzionamentonormale

IDLE SLEEP

500 mW

50 mW 100µW

10µs

90µs

500µs

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Hard disk

FunzionamentoNormale

Rotazione + I/O

IDLESolo rotazione

SLEEPfermo

2.2 W

0.95 W 0.13 W0.67 s

1.6 s

I/Oterminato

Letturascrittura

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I sistemi elettronici sono composti da diversielementi

PC: processori, memorie, dischi, monitor

SoC: CPU, DSP, FPGA, elementi RF

I vari componenti possono:Gestire autonomamente le transizioni fra I varistatiEssere controllati esternamente

Power managerGestisce le unità come stati differentiImplementato tipicamente in software

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Parametri tipici degli stati:Potenza di transizione (Ptr) e ritardo (Ttr)

Se T tr = 0 e/o Ptr = 0Ferma un componente TUTTE le volte che non è necessario

Se T tr ≠ 0 oppure Ptr ≠ 0Ferma il componente solo se la durata dello stop è sufficiente da ammortizzare l’operazione

ON OFF

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In fase di progetto devo quindi:Tempi di transizione breviPotenze di transizione breviPotenza dissipata nella fase di IDLE o di SLEEP bassa

In fase di gestione dell’apparecchiaturaScelta delle strategieTempi di IDLE e SLEEP di lunghezza sufficiente

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La gestione dinamica della potenza, È un problema di controllo

Ottenere informazioni sul sistema da gestire

Impartire comandiSintetizzare il miglior controllo

Powermanager

Sistemacomandi

misure

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Sequenza delle operazioni

richiesta

occupato

RUN

caricolavoro

PM

sistema

Potenza

idle

richiesta

occupato

RUN

tempo

tempo

tempo

tempo

sleep

ritardi

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Misure effettuate su un HD Fujitsu

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Tecniche predittive per il controllo degli statiOsservazione dei carichi di lavoro su lunghi periodiPrevisione di periodi di IDLE

Transizione in SLEEP se il tempo predetto è lungo abbastanza da ammortizzare il costo di transizione (in termini di potenza dissipata)Adattamento in tempo reale delle stime se il carico di lavoro non e’ costantePRECISIONE!

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Strategie: il sistema di PM osserva lo stato del sistema e adotta una strategia di controllo (sequenza di comandi)

i comandi sono funzione dello stato del sistema (e non della sua storia precedente)

Per ogni stato del sistema si adotta una determinata strategiaPer ogni stato del sistema si adotta la probabilità di una determinata strategiaLa strategia non cambia durante il tempo

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Il sistema di PM è una cosa solo con l’OSL’OS conosce i task attivi e quelli in stand-byL’OS può decidere le strategie di PM

ACPI (Advanced Configuration and Power Interface) adottato da Intel, Microsoft, Toshiba

Open standard per sistemi di PM basati su OS

Supportato da tutti i più recenti PC (>2000)>W2000Stesse prestazioni contro un risparmio di 1.7X

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Gestione della potenza nei circuiti

0.1

1

10

100

1000

Processori embedded

DSP

Processori e logichericonfigurabili

HW dedicato

0.4 MIPS/mW

Efficienza energetica

Flessibilità

2 MOPS/mW

10-80 MOPS/mW

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Perchè disegnare/progettare circuiti/sistemi a bassa potenza?

Esigenze pratiche: batterie più piccole per sistemicomunque ad alte prestazioni

Riduzione dei costi: PCB, contenitori e dissipatoripiù piccoli, riduzione dei costi di spedizioneMotivazioni tecnologiche

chip ad alta densitàproblematiche di interconnessionedistribuzione delle alimentazioniaffidabilità

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Legge di MooreEnorme aumento della densità dei dispositiviimplementati su chipAumento delle frequenze di funzionamento

Diminuzione delle tensioni di alimentazione (5, 3.3, 2.5, 1.8, 1.5, 0.8?)Nonostante questo, aumento delle potenzedissipate su chip (+30% ogni anno)La capacità delle batterie aumenta del 10% ognianno

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Consumo di potenza in una porta CMOS

Pclk è la potenza (dinamica) dissipata durante la commutazionePleak è la potenza dissipata per correnti di perdita(stand-by)

Nelle moderne tecnologie sub-micrometriche la dissipazione per correnti di perdita incomincia ad essere critica.

P = Pclk + Pleak

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Consumo di potenza dinamica in una porta CMOS

fclk è la frequenza di clock del chipCL è la capacità di carico sull’uscita della porta

Vcc è la tensione di alimentazione

Nelle applicazione low-power il progettista devequindi agire su Vcc, fclk , CL e sull’attività dellaporta (quando posso “spegnere” la porta?)

Pclk = 1/2 fclk CL V2cc

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Architetture con tensione di alimentazionevariabile

Scalamento controllato e contemporaneo dellatensione di alimentazione e della frequenza di clock

Più tensioni di alimentazione possibili (valoridiscreti)Utilizzo di convertitori DC-DC ad alta efficienzaApplicazioni sia nel campo dell’elaborazione (PC, PDA, etc…) sia nel campo dell’elettronica di potenza (azionamenti, sistemi di controllo, etc…)

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Powermanager

Sistema

DC-DC&

VCO

Misure

Comandi

Vcc

fclk

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Un esempio: INTEL Xscale

Corrente assorbita in funzione di frequenza/tensione

333

400

466

533

600

666

733

333

400466

533

600666

733

0

100

200

300

400

500

600

0 100 200 300 400 500 600 700 800

Frequenza (MHz)

Cor

rent

e (m

A)

Frequenza (Mhz)

Tensione (V)

333 1.0 400 1.1 466 1.2

533 1.25 600 1.3

666 1.4 733 1.5

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Altri aspetti critici nell’ottimizzazione della potenzadissipata

Ottimizzazione della memoria (interna ed esterna)

Diminuzione degli accessi in memoriaPartizionamento cache/memoriaOttimizzazione del codiceSet istruzioni dedicato/ottimizzatoCompressione del codiceCodifica dei bus

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Sommario lezione D5



Ottimizzazione delle prestazioniGestione della potenza dissipata

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Verifica lezione D5

Cosa si intende per Power management?È sempre vantaggioso porre un sistema, una periferica o una parte di un circuito in uno stato di SLEEP?Da cosa dipende la potenza dissipata nei circuiti digitali in tecnologia CMOS?Su quali parametri si può agire per diminuire la potenza dissipata?Come agisce il controllo dinamico della tensione di alimentazione?

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Fonti

Power Aware Software Architecture, Rajesh K. Gupta University of California, IrvineSystem-Level Power Optimization, Luca Benini, ESSES 03System-Level Power Management, TajanaSimunic, Stanford University

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