gestión térmica En los sistemas de microprocesador es un elemento esencial para asegurar la ejecución eficiente de los procesos de trabajo. Teledyne e2v ha demostrado que el consumo de energía se puede reducir mediante la optimización de los procesadores tanto a nivel de hardware como de software. En entrevista con EEWeb, Thomas Porchez, ingeniero de aplicaciones de las soluciones de procesamiento de datos de Teledyne, explicó cómo la tecnología utilizada redujo el consumo de energía en un 46% en comparación con los valores de la hoja de datos para la aplicación específica, enfatizó.
Al final del proceso de diseño, los ingenieros a menudo enfrentan problemas de administración de energía, donde el tamaño pequeño deja poco espacio para disipadores de calor y ventiladores, lo que genera un rendimiento deficiente.
Un análisis detallado del comportamiento general del sistema ayudará a definir el mejor enfoque para superar los desafíos potenciales de mantener un presupuesto de energía limitado y medidas de ahorro de espacio. Esto se puede hacer observando los datos de carga de la CPU del procesador, la frecuencia central y la temperatura de unión. Teledyne e2v pudo proporcionar una forma de optimizar el procesador mientras conservaba los recursos energéticos y minimizaba la generación de calor.
Consumo de energía estática y dinámica
Las altas frecuencias de procesamiento imponen límites estrictos al consumo de energía de todo el sistema informático. Por lo tanto, el consumo de energía de cada dispositivo debe mantenerse siempre al mínimo. Los cálculos de energía determinan no solo el tamaño de la fuente de alimentación, sino también la máxima confiabilidad operativa.
El consumo de energía del procesador generalmente se divide en consumo de energía estático y consumo de energía dinámico. El consumo de energía estática corresponde a la corriente de fuga que fluye a través del dispositivo y varía proporcionalmente con la temperatura. La corriente de fuga de puerta lógica total incluye dos componentes principales: subumbral y fuga de puerta. La corriente de fuga por debajo del umbral es importante en los circuitos digitales CMOS y aumenta exponencialmente con la disminución del voltaje de umbral.
“Lo interesante del consumo de energía estática es que no se puede iterar a través de las rutas.
El consumo de energía dinámico en el otro extremo es en gran medida independiente de la temperatura de la unión, pero depende de la carga de la CPU, la plataforma y la frecuencia de la CPU y los periféricos utilizados. Esto significa que el consumo de energía dinámico depende de la aplicación.
El consumo de energía dinámico se calcula considerando la suma de dos factores: potencia de conmutación y potencia de cortocircuito. La potencia de conmutación se consume al cargar o descargar la capacitancia interna y neta. La potencia de cortocircuito es la potencia disipada por una conexión de cortocircuito momentánea entre la tensión de alimentación y tierra en el momento en que la compuerta cambia de estado.
Figura 1: Efecto de la temperatura en el consumo de energía (Fuente: Teledyne e2v)
La solución de Teledyne
La demostración real se realizó en dos computadoras de placa única diseñadas por los socios de Teledyne e2v. Un procesador T1042 de arquitectura de cuatro núcleos reside en cada computadora de placa única, funcionando hasta 1,5 GHz.
Un procesador ejecuta una aplicación que proporciona el 100 % de la carga de la CPU. El otro es un procesador optimizado Teledyne que ejecuta la misma aplicación y proporciona una carga de CPU del 50 %. Una cámara infrarroja analiza ambos procesos simultáneamente. La imagen de la cámara se muestra en la pantalla. Esta situación se ilustra en la Figura 1.
Figura 2: Demostración de reducción de la carga de calor. Placa con procesador estándar a la izquierda. Procesador optimizado de Teledyne en el lado derecho. (Fuente: Teeldyne e2v)
“Si observa el procesador de la izquierda en la Figura 2, la temperatura del disipador de calor es de aproximadamente 71 grados Celsius y el procesador del lado derecho es de aproximadamente 59 grados Celsius, una diferencia de aproximadamente 12 grados Celsius”, dijo Porchez. “Para las terminales, podemos ver que todavía hay una gran diferencia en términos de temperatura de unión entre los dos procesos.
“Si observa de cerca los interesantes procesos de consumo de energía aquí, puede ver que la diferencia entre los dos procesos es de 1,5 W a 2 W, que es una gran diferencia”, agregó.
Teledyne e2v señaló que este estudio de caso puede ofrecer el T1042 con una reducción de potencia del 46 % en comparación con lo que se esperaría al leer la especificación T1042.
Figura 3: Reducción total del consumo de energía (Fuente: Teledyne e2v)
Sr Porchez dijo: “Los clientes estaban realmente preocupados por los números de energía en las hojas de datos (los valores dados en escenarios de alto cómputo). Luego pudimos traducir esto en un límite de energía estática y acordamos proporcionar una pieza que cumpliera con este requisito”.
El consumo de energía es uno de los principales desafíos en los circuitos integrados. La potencia dinámica domina en los circuitos CMOS. El consumo dinámico ocurre como resultado de la acción de conmutación debido a la carga y descarga de cortocircuito de corriente y capacitancia de carga.
El consumo de energía reducido (además de un mayor ancho de banda) será el factor dominante en los procesadores de próxima generación. La tendencia mundial hacia velocidades más altas requiere nuevas soluciones para optimizar la gestión de la energía. Una técnica destinada a reducir el consumo de energía dinámico consiste en ajustar dinámicamente el voltaje y la frecuencia de la CPU. Esta operación se llama escalado dinámico de voltaje y frecuencia (DVFS). Esto se beneficia del hecho de que las CPU tienen configuraciones individuales de frecuencia y voltaje.
Porchez enfatizó que este enfoque es una oportunidad para que los diseñadores adapten procesadores más grandes a aplicaciones que inicialmente se consideraban imposibles debido a las limitaciones de energía. Esto permite que el sistema tenga un mayor margen de potencia informática para adaptarse a la evolución futura de los casos de uso. “Para Teledyne e2v, este es un diferenciador tecnológico adicional y al mismo tiempo conduce a un mayor nivel de intimidad con el cliente, que ya sabemos”, dijo. .