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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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Lezione D5
Gestione della potenza
Metodi di gestione della potenza
Ottimizzazione delle prestazioniGestione della potenza dissipata nei circuiti
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Elettronica per l’informatica
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Gestione della potenza
Gestione della potenza
Metodi di gestione della potenza
Ottimizzazione delle prestazioni
Gestione della potenza dissipata nei circuiti
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Metodi di gestione della potenza
Efficienza energetica negli apparatiSistemi portatili
Aumento della durata delle batterieOttimizzazione del progetto
Sistemi “fissi”Minimizzazione dei costi di gestioneImpatto ambientale
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Metodi di gestione della potenza
Disegno e progetto di apparati elettroniciHardware
ElaborazioneImmagazzinamentocomunicazioni
SoftwareSistemi operativiApplicazioni
Utilizzo di apparati elettroniciControllo e gestione in tempo reale
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Metodi di gestione della potenza
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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Metodi di gestione della potenza
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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Metodi di gestione della potenza
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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Metodi di gestione della potenza
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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Metodi di gestione della potenza
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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Metodi di gestione della potenza
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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Metodi di gestione della potenza
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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Elettronica per l’informatica
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Gestione della potenza
Gestione della potenza
Metodi di gestione della potenza
Ottimizzazione delle prestazioni
Gestione della potenza dissipata nei circuiti
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Ottimizzazione delle prestazioni
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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Ottimizzazione delle prestazioni
Sequenza delle operazioni
richiesta
occupato
RUN
caricolavoro
PM
sistema
Potenza
idle
richiesta
occupato
RUN
tempo
tempo
tempo
tempo
sleep
ritardi
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Ottimizzazione delle prestazioni
Misure effettuate su un HD Fujitsu
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Ottimizzazione delle prestazioni
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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Ottimizzazione delle prestazioni
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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Ottimizzazione delle prestazioni
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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Elettronica per l’informatica
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Gestione della potenza
Gestione della potenza
Metodi di gestione della potenza
Ottimizzazione delle prestazioni
Gestione della potenza dissipata nei circuiti
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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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Gestione della potenza nei circuiti
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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Gestione della potenza nei circuiti
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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Gestione della potenza nei circuiti
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Gestione della potenza nei circuiti
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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Gestione della potenza nei circuiti
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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Gestione della potenza nei circuiti
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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Gestione della potenza nei circuiti
Powermanager
Sistema
DC-DC&
VCO
Misure
Comandi
Vcc
fclk
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Gestione della potenza nei circuiti
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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Gestione della potenza nei circuiti
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
Gestione della potenza
Metodi di gestione della potenza
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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