3.2.1
Relativas a la MPU
Dado que la MPU (MicroProcessor Unit) es uno de los elementos de un sistema embebido que más energía puede llegar a consumir, tal y como detalla Texas Instrument en [3] y en [4], los fabricantes de chips actualmente han implementado varios métodos para reducir el consumo energético sin afectar adversamente al rendimiento del sistema.
Figura 1: Consumo de energía de varios componentes clave del sistema. Se supone una eficiencia energética del 85%, memoria DDR3
y pantalla activada.
Las técnicas de gestión energética se dividen en dos áreas: las de gestión activa, que reducen el consumo realizando cambios sobre el sistema en funcionamiento de forma dinámica y en base al trabajo que se está procesando en ese momento, y las de gestión pasiva, cuyo objetivo es que un sistema en reposo realice el menor gasto energético posible.
Dentro de la gestión activa se encuadran tres técnicas principales: el escalado dinámico de voltaje y frecuencia (DVFS), el escalado de voltaje adaptativo (AVS) y la conmutación de potencia dinámica (DPS). La gestión energética estática, por el contrario, se centra en lo que se conoce como gestión de fugas estáticas (SLM).
En base a los fundamentos de funcionamiento de los semiconductores, muchas de estas técnicas se centran en operar el dispositivo con la menor tensión posible, mientras se logre el rendimiento deseado. Estos puntos de equilibrio se conocen como OPP (operating performance points, por sus siglas en inglés) [5] y representan una combinación de frecuencia y voltaje en el procesador.
componente denominado PMIC (Power Management IC, por sus siglas en inglés).
3.2.1.1
Técnicas activas
3.2.1.1.1
Escalado dinámico de voltaje y frecuencia (DVFS)
DVFS, de sus siglas en inglés de “Dynamic voltage and frequency scaling”, es una técnica que se basa en los fundamentos de funcionamiento de los semiconductores, por los cuales la transición de un estado a otro de un transistor de silicio es más rápida cuanto más elevada es la tensión que se le aplica, pero disipa una mayor cantidad de energía. Esto se traduce en que si se busca que un procesador funcione a más ciclos por segundo, se deberá operar a mayor voltaje, pero será menos eficiente, energéticamente hablando, y se calentará mas. Por el contrario, si para una tarea específica es suficiente con un procesador más lento, se puede disminuir la frecuencia de funcionamiento y, por ende, el voltaje aplicado al mínimo que permita a los transistores conmutar en el periodo de tiempo resultante, aumentando la eficiencia energética.
El voltaje necesario para el correcto funcionamiento de un dispositivo a una frecuencia dada (OPP, “Operating Performance Point” por sus siglas en inglés o Punto de Rendimiento Operativo) viene determinado por la calidad del silicio y del proceso de fabricación. Debe tenerse en cuenta que para un mismo modelo de dispositivo pueden existir lotes de fabricación con menor calidad que otros, por lo que el voltaje mínimo se define siempre para el peor caso, los llamados “hot devices”. Esto provoca un ligero desperdicio energético en los lotes de mayor calidad, conocidos como “cold devices”, que operarán a un voltaje mayor del mínimo con el que podrían funcionar a una determinada frecuencia.
Con DVFS se establecen varios OPP, permitiendo reducir las frecuencias de reloj y las tensiones en base a peticiones software, dependiendo del rendimiento requerido por una aplicación, si es ésta la que realiza las peticiones de cambio de OPP, o del conjunto de procesos ejecutándose, si el control lo realiza un gobernador del sistema operativo.
Como ejemplo, considérese un procesador de aplicaciones que incluye una CPU ARM, como la que integra una placa BeagleBoard. A pesar de que el componente de ARM puede funcionar a velocidades de hasta 600 MHz, no toda esa potencia de cálculo es siempre necesaria. Típicamente, el software selecciona puntos de rendimiento de operación de procesador predefinidos (OPPS), que incluyen una tensión que asegura que el procesador funciona a la frecuencia mínima para cumplir con los requisitos de procesamiento del sistema. Para realizar una tarea sencilla, como decodificar MP3, el sistema seleccionaría un OPP de 125 Mhz, que bajaría el voltaje de la CPU (VDD1) a 0,95V, frenta a los 1,35V máximos que se emplearían para 600 Mhz.
3.2.1.1.2
Escalado de voltaje adaptativo (AVS)
AVS, de sus sigles en inglés “Adaptive Voltage Scaling, se trata de una mejora del escalado de frecuencia y voltaje dinámico, permitiendo que los pares OPP no sean fijos. Es el propio dispositivo el que, mediante un bucle cerrado de control, selecciona la mínima tensión eléctrica necesaria para el correcto funcionamiento del dispositivo a una frecuencia dada.
Esta técnica evita el desperdicio energético en los lotes de mayor calidad de un modelo de dispositivo, gracias a la eliminación del margen de seguridad establecido en base a los de peor calidad.
3.2.1.1.3
Conmutación de potencia dinámica (DPS)
DPS, de sus siglas en inglés “Dynamic Power Switching”, basa su funcionamiento, en apagar zonas de la MPU o del SoC (System on Chip) cuando estas estan inactivas, por ejemplo porque han terminado la última tarea computacional asignada o porque están a la espera de datos para continuar el trabajo. Estos cambios entre encendido y apagado conllevan latencias del orden de microsegundos.
3.2.1.2
Técnicas pasivas. Gestión de fugas estáticas (SLM)
SLM, de sus siglas en inglés “Static Leakage Management”, permite iniciar modos de espera (stand-by) o de apagado (device-off), tanto de forma automática como bajo petición software, en los cuales, respectivamente, el dispositivo conserva la memoria interna y la lógica o guarda en una memoria externa todos los estados del sistema, posibilitando un tiempo de encendido mucho más rápido que un arranque en frío.
Un ejemplo de uso de SLM sería en un reproductor multimedia o un teléfono móvil, el cual , después de 10 segundos de inactividad, apaga la pantalla y entra en el modo de espera, encendiéndose rápidamente cuando el usuario pulsa un botón.
3.2.2
Relativas a los periféricos integrados
En un sistema empotrado o en un micro-computador, además de la MPU, suelen existir varios dispositivos hardware alrededor de esta, los periféricos, normalmente integrados en el sistema de forma total.
Debido a la inmensa cantidad de modelos de periféricos que se pueden encontrar integrados en diferentes sistemas embebidos, es complicado generar técnicas comunes para la gestión de consumo energético de estos, siendo la única generalizada la de apagar o encender el dispositivo según se puede prescindir o no de su funcionamiento. Solo en algunos casos, cuando el driver lo permita, es posible poner al periférico en un estado de bajo consumo, pero, para llevar a cabo este control fino del consumo energético, será necesario un estudio particularizado de las posibilidades del periférico.
Puede parecer obvio que la mejor manera de ahorrar energía con cualquier dispositivo electrónico es simplemente apagarlo. En un sistema empotrado, el encendido de estos dispositivos pueden llegar a ser totalmente controlable por el software desde la MPU, por lo tanto, es lógico diseñar sistemas electrónicos para que los periféricos y subsistemas puedan ser activados y apagados por el software, según sea necesario. En realidad, esta técnica no es tan simple como suena y hay que tomar algunas precauciones en consideración, ya que algunos tipos de periféricos -como una interfaz de red, por ejemplo- tardan un tiempo en configurarse cuando se encienden. Este retardo puede ser inaceptable si el periférico está constantemente encendiéndose y apagándose. También hay situaciones en las que un periférico puede continuar transfiriendo (enviando o recibiendo) datos después de que la CPU (es decir, el software) haya
terminado de ejecutar la tarea relacionada, por lo que una desconexión prematura produciría la pérdida de datos. También puede que el proceso de encendido y apagado consuma energía extra, por lo que habría que tener en cuenta si el tiempo de apagado sería el suficiente como para que mereciese la pena. Esta es la clase de detalles que habría que tener en cuenta y que estudiar a la hora de diseñar un método de gestión de consumo energético que se sirviese del apagado de periféricos.