Исследовательский центр Imec в сотрудничестве с Holst Centre на ежегодной международной конференции International Solid State Circuits Conference представил прототип процессора с ультранизким энергопотреблением, который сохраняет полную работоспособность при пороговом напряжении питания. Процессор работает на тактовой частоте 1 МГц при напряжении питания 0.4 В, и при тестировании на выполнение быстрого преобразования Фурье его энергопотребление составило 79 мкВт – ничтожную долю энергии, потребляемой при стандартном напряжении питания.
«Энергоэффективная обработка данных будет иметь очень важное значение для широкого спектра новых приложений, включая Body Area Network (технологии мониторинга тела человека), системы автоматизации зданий и контроля параметров оборудования. Снижение энергопотребления в активном режиме и рассеиваемой мощности в режиме ожидания, таким образом, являются все более важными факторами при проектировании цифровых схем», – утверждает Harmke de Groot, руководитель совместной программы Imec и Holst Centre. – «Тем не менее, большая часть исследований в отрасли по-прежнему направлена на повышение производительности, а не на увеличение срока службы батарей питания путем повышения эффективности энергопотребления. Мы же в своих разработках ориентируемся на снижение именно энергопотребления и напряжения питания для реализации интеллектуальных устройств с батарейным питанием и питанием от альтернативных источников энергии».
Представленный энергоэффективный процессор рассчитан на применение в биомедицинских приложениях, таких как ЭКГ и ЭЭГ. Он был реализован путем создания архитектуры интерфейсов вокруг процессора общего назначения и внедрения системы внутреннего контроля, чтобы гарантировать надежную работу целостной системы Архитектура интерфейсов предназначена для достижения низкого напряжения питания и автоматического регулирования производительности.
Одной из ключевых особенностей процессора является низкое рабочее напряжение, при котором сохраняется достаточная для нужд приложения производительность, а также поддержание этого уровня производительности во всем диапазоне напряжений питания и температуры. Такая возможность была достигнута за счет прямого смещения транзисторов в процессоре, что позволяет ему работать при напряжении чуть выше порога, характерного для используемого КМОП техпроцесса. Рабочее напряжение можно регулировать в диапазоне между номинальным напряжением питания процессора 1.1 В и минимальным 0.4 В, в зависимости от текущих требований к производительности.
Естественные допустимые отклонения в техпроцессе при изготовлении процессоров могут привести к появлению колебаний напряжения питания при работе процессора. Вблизи пороговых значений напряжения эти колебания могут привести к полной остановке процессора. Чтобы избежать таких ситуаций и повысить надежность процессора, к его критически важным блокам подключены специализированные триггеры «canary flip-flops». Эти триггеры позволяют контролировать провалы напряжения еще до схем процессора и, таким образом, позволяют реализовать повышение рабочего напряжения еще до того, как выявленные колебания и шумы напряжения повлияют на работу процессора. Кроме того, автоматический контроль смещения исключает обычное падение напряжения на силовых ключах, управляющих процессором, что также повышает эффективность и надежность в условиях работы при пороговом значении напряжения питания.
Для дополнительного снижения энергопотребления процессора интерфейс может независимо управлять состоянием индивидуальных встроенных компонентов, например, отключать процессорное ядро или уменьшать напряжение питания для памяти в моменты времени, когда данные компоненты не используются. Программный интерфейс может также динамически переключать процессор между различными режимами производительности, оптимизируя количество активных функциональных блоков в ядре в соответствии с алгоритмом выполнения. Неиспользуемые функциональные блоки отключаются для снижения энергопотребления.
