إلكترونيات منخفضة الطاقة

الأجهزة الإلكترونية منخفضة الطاقة هي الأجهزة الإلكترونية، مثل معالجات الكمبيوتر المحمول ، والتي تم تصميمها لاستخدام طاقة كهربائية أقل من المعتاد، وغالبًا ما يكون ذلك مقابل بعض التكاليف. وفي حالة معالجات الكمبيوتر المحمول، تكون هذه التكلفة هي طاقة المعالجة؛ حيث تستهلك معالجات الكمبيوتر المحمول عادةً طاقة أقل من نظيراتها من أجهزة سطح المكتب، على حساب طاقة معالجة أقل. ^[1]

كانت المحاولات الأولى لتقليل كمية الطاقة المطلوبة لجهاز إلكتروني مرتبطة بتطوير ساعة اليد . تتطلب الساعات الإلكترونية الكهرباء كمصدر للطاقة، كما تتطلب بعض الحركات الميكانيكية والحركات الكهروميكانيكية الهجينة الكهرباء أيضًا. عادةً ما يتم توفير الكهرباء بواسطة بطارية قابلة للاستبدال . كان أول استخدام للطاقة الكهربائية في الساعات كبديل للزنبرك الرئيسي ، لإزالة الحاجة إلى التعبئة. تم إصدار أول ساعة تعمل بالطاقة الكهربائية، هاملتون إلكتريك 500 ، في عام 1957 بواسطة شركة هاملتون ووتش في لانكستر، بنسلفانيا .

تم تصنيع أول ساعات كوارتز يدوية في عام 1967، باستخدام عقارب تناظرية لعرض الوقت. ^[2]

بطاريات الساعات (الخلايا بالمعنى الدقيق للكلمة، حيث تتكون البطارية من خلايا متعددة) مصممة خصيصًا لهذا الغرض. فهي صغيرة جدًا وتوفر كميات ضئيلة من الطاقة بشكل مستمر لفترات طويلة جدًا (عدة سنوات أو أكثر). في بعض الحالات، يتطلب استبدال البطارية الذهاب إلى ورشة إصلاح الساعات أو تاجر الساعات. تُستخدم البطاريات القابلة لإعادة الشحن في بعض الساعات التي تعمل بالطاقة الشمسية .

كانت أول ساعة إلكترونية رقمية عبارة عن نموذج أولي لـ Pulsar LED تم إنتاجه في عام 1970. ^[3] كانت ساعات LED الرقمية باهظة الثمن وبعيدة عن متناول المستهلك العادي حتى عام 1975، عندما بدأت شركة Texas Instruments في إنتاج ساعات LED بكميات كبيرة داخل علبة بلاستيكية.

تتطلب معظم الساعات ذات شاشات LED أن يضغط المستخدم على زر لرؤية الوقت المعروض لبضع ثوانٍ لأن مصابيح LED تستهلك الكثير من الطاقة بحيث لا يمكن تشغيلها باستمرار. كانت الساعات ذات شاشات LED شائعة لبضع سنوات، ولكن سرعان ما حلت شاشات الكريستال السائل (LCD) محل شاشات LED، والتي تستهلك طاقة بطارية أقل وكانت أكثر ملاءمة في الاستخدام، مع كون الشاشة مرئية دائمًا ولا حاجة للضغط على زر قبل رؤية الوقت. فقط في الظلام، كان عليك الضغط على زر لإضاءة الشاشة بمصباح كهربائي صغير، ثم إضاءة مصابيح LED لاحقًا. ^[4]

تستخدم معظم الساعات الإلكترونية اليوم مذبذبات كوارتز بتردد 32.768 كيلوهرتز . ^[2]

اعتبارًا من عام 2013، أصبحت المعالجات المصممة خصيصًا للساعات اليدوية هي المعالجات الأقل طاقة التي يتم تصنيعها اليوم - غالبًا معالجات 4 بت و32.768 كيلو هرتز.

عندما تم تطوير أجهزة الكمبيوتر الشخصية لأول مرة، لم يكن استهلاك الطاقة مشكلة. ومع تطوير أجهزة الكمبيوتر المحمولة ، فإن متطلب تشغيل الكمبيوتر باستخدام حزمة بطارية استلزم البحث عن حل وسط بين قوة الحوسبة واستهلاك الطاقة. في الأصل، كانت معظم المعالجات تعمل على تشغيل كل من الدوائر الأساسية ودوائر الإدخال/الإخراج عند 5 فولت، كما هو الحال في Intel 8088 المستخدم بواسطة أول جهاز Compaq Portable . تم تخفيضه لاحقًا إلى 3.5 و3.3 و2.5 فولت لتقليل استهلاك الطاقة. على سبيل المثال، انخفض جهد نواة Pentium P5 من 5 فولت في عام 1993 إلى 2.5 فولت في عام 1997.

مع انخفاض الجهد، يأتي استهلاك أقل للطاقة بشكل عام، مما يجعل النظام أقل تكلفة للتشغيل بأي تقنية بطارية موجودة وقادرًا على العمل لفترة أطول. هذا مهم للغاية للأنظمة المحمولة أو المتنقلة. كان التركيز على تشغيل البطارية هو الدافع وراء العديد من التطورات في خفض جهد المعالج لأن هذا له تأثير كبير على عمر البطارية. الفائدة الرئيسية الثانية هي أنه مع انخفاض الجهد وبالتالي انخفاض استهلاك الطاقة، سيكون هناك حرارة أقل يتم إنتاجها. يمكن حشر المعالجات التي تعمل بشكل أكثر برودة في الأنظمة بشكل أكثر إحكامًا وستستمر لفترة أطول. الفائدة الرئيسية الثالثة هي أنه يمكن جعل المعالج الذي يعمل بشكل أكثر برودة على طاقة أقل يعمل بشكل أسرع. كان خفض الجهد أحد العوامل الرئيسية في السماح لمعدل ساعة المعالجات بالارتفاع أكثر فأكثر. ^[5]

لقد زادت كثافة وسرعة عناصر الحوسبة في الدوائر المتكاملة بشكل كبير على مدى عدة عقود، وذلك وفقًا لاتجاه وصفه قانون مور . وفي حين أنه من المقبول عمومًا أن هذا الاتجاه نحو التحسن الأسي سينتهي، إلا أنه من غير الواضح بالضبط مدى كثافة وسرعة الدوائر المتكاملة بحلول الوقت الذي يتم فيه الوصول إلى هذه النقطة. وقد تم عرض أجهزة عاملة تم تصنيعها بطول قناة ترانزستور MOSFET يبلغ 6.3 نانومتر باستخدام مواد أشباه الموصلات التقليدية، وتم بناء أجهزة تستخدم أنابيب الكربون النانوية كبوابات MOSFET، مما يعطي طول قناة يبلغ نانومترًا واحدًا تقريبًا . إن كثافة وقوة الحوسبة للدوائر المتكاملة محدودة في المقام الأول بسبب مخاوف تبديد الطاقة.

لقد زاد إجمالي استهلاك الطاقة لجهاز كمبيوتر شخصي جديد بنسبة نمو تبلغ حوالي 22% سنويًا. ^[6] تأتي هذه الزيادة في الاستهلاك على الرغم من أن الطاقة التي تستهلكها بوابة منطقية واحدة من CMOS من أجل تغيير حالتها قد انخفضت بشكل كبير وفقًا لقانون مور، وذلك بسبب الانكماش. ^[6]

تحتوي شريحة الدائرة المتكاملة على العديد من الأحمال السعوية ، والتي تم تشكيلها عمدًا (كما هو الحال مع سعة البوابة إلى القناة) وغير عمدًا (بين الموصلات القريبة من بعضها البعض ولكنها غير متصلة كهربائيًا). يؤدي تغيير حالة الدائرة إلى حدوث تغيير في الجهد عبر هذه السعات الطفيلية ، مما ينطوي على تغيير في كمية الطاقة المخزنة. مع شحن الأحمال السعوية وتفريغها من خلال الأجهزة المقاومة ، يتم تبديد كمية من الطاقة مماثلة لتلك المخزنة في المكثف على شكل حرارة:

${\displaystyle E_{\mathrm {مخزنة} }={1 \over 2}CU^{2}}$

إن تأثير تبديد الحرارة على تغيير الحالة هو الحد من كمية العمليات الحسابية التي يمكن إجراؤها ضمن ميزانية طاقة معينة. في حين أن انكماش الجهاز يمكن أن يقلل من بعض السعات الطفيلية، فإن عدد الأجهزة على شريحة الدائرة المتكاملة قد زاد أكثر من كافٍ للتعويض عن انخفاض السعة في كل جهاز فردي. تتطلب بعض الدوائر - المنطق الديناميكي ، على سبيل المثال - معدل ساعة أدنى من أجل العمل بشكل صحيح، مما يؤدي إلى إهدار "الطاقة الديناميكية" حتى عندما لا تؤدي عمليات حسابية مفيدة. تستخدم الدوائر الأخرى - وأبرزها RCA 1802 ، ولكن أيضًا العديد من الرقائق اللاحقة مثل WDC 65C02 و Intel 80C85 و Freescale 68HC11 وبعض شرائح CMOS الأخرى - "منطقًا ثابتًا تمامًا" ليس له معدل ساعة أدنى، ولكن يمكنه "إيقاف الساعة" والاحتفاظ بحالتها إلى أجل غير مسمى. عندما يتم إيقاف الساعة، لا تستخدم مثل هذه الدوائر أي طاقة ديناميكية ولكنها لا تزال تستهلك طاقة ثابتة صغيرة ناتجة عن تسرب التيار.

مع انكماش أبعاد الدائرة، يصبح تيار التسرب الذي يقل عن العتبة أكثر بروزًا. ويؤدي تيار التسرب هذا إلى استهلاك الطاقة، حتى عندما لا يحدث أي تبديل (استهلاك الطاقة الساكنة). وفي الرقائق الحديثة، يمثل هذا التيار عمومًا نصف الطاقة التي تستهلكها الدائرة المتكاملة.

يمكن تقليل الخسارة الناتجة عن التسرب دون العتبة عن طريق رفع جهد العتبة وخفض جهد الإمداد. يؤدي كلا التغييرين إلى إبطاء الدائرة بشكل كبير. لمعالجة هذه المشكلة، تستخدم بعض الدوائر الحديثة منخفضة الطاقة جهدي إمداد مزدوجين لتحسين السرعة على المسارات الحرجة للدائرة وخفض استهلاك الطاقة على المسارات غير الحرجة. تستخدم بعض الدوائر حتى ترانزستورات مختلفة (بجهد عتبة مختلف) في أجزاء مختلفة من الدائرة، في محاولة لتقليل استهلاك الطاقة بشكل أكبر دون خسارة كبيرة في الأداء.

هناك طريقة أخرى تستخدم لتقليل استهلاك الطاقة وهي بوابات الطاقة : ^[7] استخدام ترانزستورات النوم لتعطيل الكتل بأكملها عندما لا تكون قيد الاستخدام. غالبًا ما تكون الأنظمة التي تكون خاملة لفترات طويلة من الزمن و"تستيقظ" لأداء نشاط دوري في مكان معزول يراقب النشاط. تعمل هذه الأنظمة عمومًا بالبطارية أو الطاقة الشمسية، وبالتالي فإن تقليل استهلاك الطاقة يعد مشكلة تصميم رئيسية لهذه الأنظمة. من خلال إيقاف تشغيل كتلة عاملة ولكنها متسربة حتى يتم استخدامها، يمكن تقليل تيار التسرب بشكل كبير. بالنسبة لبعض الأنظمة المضمنة التي تعمل لفترات قصيرة فقط في كل مرة، يمكن أن يقلل هذا من استهلاك الطاقة بشكل كبير.

توجد أيضًا طريقتان أخريان لتقليل النفقات العامة للطاقة لتغييرات الحالة. الأولى هي تقليل جهد التشغيل للدائرة، كما هو الحال في وحدة المعالجة المركزية ذات الجهد المزدوج ، أو تقليل تغيير الجهد المشارك في تغيير الحالة (إجراء تغيير في الحالة فقط، وتغيير جهد العقدة بجزء بسيط من جهد الإمداد - إشارات تفاضلية منخفضة الجهد ، على سبيل المثال). هذا النهج محدود بالضوضاء الحرارية داخل الدائرة. يوجد جهد مميز (متناسب مع درجة حرارة الجهاز وثابت بولتزمان )، والذي يجب أن يتجاوزه جهد تبديل الحالة حتى تكون الدائرة مقاومة للضوضاء. يكون هذا عادةً في حدود 50-100 مللي فولت، للأجهزة المصنفة لدرجة حرارة خارجية تبلغ 100 درجة مئوية (حوالي 4 كيلو تسلا ، حيث T هي درجة الحرارة الداخلية للجهاز بالكلفن و k هو ثابت بولتزمان ).

النهج الثاني هو محاولة توفير الشحنة للأحمال السعوية من خلال مسارات ليست مقاومة في المقام الأول. هذا هو المبدأ وراء الدوائر الأدياباتية . يتم توفير الشحنة إما من مصدر طاقة حثي متغير الجهد أو من عناصر أخرى في دائرة منطقية عكسية . في كلتا الحالتين، يجب تنظيم نقل الشحنة في المقام الأول بواسطة الحمل غير المقاوم. كقاعدة عامة عملية، هذا يعني أن معدل تغير الإشارة يجب أن يكون أبطأ من المعدل الذي تمليه ثابت زمن RC للدائرة التي يتم تشغيلها. بعبارة أخرى، فإن ثمن انخفاض استهلاك الطاقة لكل وحدة حسابية هو سرعة مطلقة منخفضة للحساب. في الممارسة العملية، على الرغم من بناء الدوائر الأدياباتية، كان من الصعب عليها تقليل قوة الحساب بشكل كبير في الدوائر العملية.

أخيرًا، هناك العديد من التقنيات لتقليل عدد تغييرات الحالة المرتبطة بعملية حسابية معينة. بالنسبة للدوائر المنطقية ذات التوقيت، يتم استخدام تقنية بوابة التوقيت لتجنب تغيير حالة الكتل الوظيفية غير المطلوبة لعملية معينة. كبديل أكثر تطرفًا، ينفذ نهج المنطق غير المتزامن الدوائر بطريقة لا تتطلب ساعة خارجية محددة. في حين يتم استخدام كلتا التقنيتين بدرجات مختلفة في تصميم الدوائر المتكاملة، يبدو أن حد التطبيق العملي لكل منهما قد تم الوصول إليه. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

توجد مجموعة متنوعة من التقنيات لتقليل كمية طاقة البطارية المطلوبة لتحقيق إنتاجية الاتصالات اللاسلكية المطلوبة . ^[8] تستخدم بعض شبكات الشبكة اللاسلكية تقنيات البث منخفضة الطاقة "الذكية" التي تقلل من طاقة البطارية المطلوبة للإرسال. ويمكن تحقيق ذلك باستخدام بروتوكولات تدرك الطاقة وأنظمة التحكم في الطاقة المشتركة.

في عام 2007، تم إنفاق حوالي 10% من متوسط ​​ميزانية تكنولوجيا المعلومات على الطاقة، وكان من المتوقع أن ترتفع تكاليف الطاقة لتكنولوجيا المعلومات إلى 50% بحلول عام 2010. ^[9]

يعتمد وزن وتكلفة أنظمة إمداد الطاقة والتبريد بشكل عام على الحد الأقصى للطاقة الممكنة التي يمكن استخدامها في أي وقت. هناك طريقتان لمنع النظام من التلف الدائم بسبب الحرارة الزائدة. تقوم معظم أجهزة الكمبيوتر المكتبية بتصميم أنظمة الطاقة والتبريد حول أسوأ حالة لتبديد طاقة وحدة المعالجة المركزية عند أقصى تردد وأقصى حمل عمل وأسوأ بيئة. لتقليل الوزن والتكلفة، تختار العديد من أجهزة الكمبيوتر المحمولة استخدام نظام تبريد أخف وزناً وأقل تكلفة مصمم حول طاقة تصميم حرارية أقل بكثير ، أي أعلى قليلاً من الحد الأقصى المتوقع للتردد وحمل العمل النموذجي والبيئة النموذجية. عادةً ما تعمل مثل هذه الأنظمة على تقليل (خنق) معدل الساعة عندما ترتفع درجة حرارة شريحة وحدة المعالجة المركزية بشكل كبير، مما يقلل الطاقة المبددة إلى مستوى يمكن لنظام التبريد التعامل معه.

• ترانسميتا
• جهاز Acorn RISC (ARM)
• معالج دقيق AMULET
• متحكمات Microchip nanoWatt XLP PIC
• متحكمات MSP430 من Texas Instruments
• متحكمات EFM32 من Energy Micro/Silicon Labs
• متحكمات STM32 من شركة STMicroelectronics
• متحكمات Atmel/Microchip SAM L

• تبديد طاقة المعالج
• تنسيق الطاقة المشترك
• تنظيم البيانات للطاقة المنخفضة
• إدارة الطاقة في تكنولوجيا المعلومات
• الأداء لكل واط
• إدارة الطاقة
• الحوسبة الخضراء
• قياس التردد الديناميكي
• رفع تردد التشغيل
• خفض سرعة التشغيل
• قياس الجهد الديناميكي
• عزل المتعامل
• إزالة الخلل
• التشغيل الطرفي المستقل

• Gaudet, Vincent C. (2014-04-01) [2013-09-25]. "الفصل 4.1. تقنيات التصميم منخفضة الطاقة لتقنيات CMOS الحديثة". في Steinbach, Bernd [بالألمانية] (المحرر). التقدم الأخير في المجال المنطقي (طبعة واحدة). نيوكاسل أبون تاين، المملكة المتحدة: Cambridge Scholars Publishing . ص 187-212. ISBN 978-1-4438-5638-6. تم الاسترجاع بتاريخ 2019-08-04 .[3] (455 صفحة)

• "تصميم عالي المستوى لمعالج VLIW منخفض الطاقة لجهاز ترميز الكلام IS-54 VSELP" بقلم راسل هينينج وشايتالي تشاكرابورتي (ملاحظة: يعني أنه بشكل عام، إذا كانت الخوارزمية التي سيتم تشغيلها معروفة، فإن الأجهزة المصممة خصيصًا لتشغيل هذه الخوارزمية ستستخدم طاقة أقل من الأجهزة العامة التي تقوم بتشغيل هذه الخوارزمية بنفس السرعة.)
• CRISP: معالج VLIW قابل للتطوير لأنظمة الوسائط المتعددة منخفضة الطاقة بقلم فرانسيسكو بارات 2005
• مُسرِّع حلقي لمعالجات VLIW المدمجة منخفضة الطاقة بقلم بينو ماثيو وأل ديفيس
• تصميم منخفض الطاقة للغاية من تصميم جاك جانسل
• ك. روي وس. براساد، تصميم دائرة CMOS VLSI منخفضة الطاقة ، جون وايلي وأولاده، رقم ISBN 0-471-11488-X ، 2000، 359 صفحة. 
• KS. Yeo و K. Roy، أنظمة فرعية VLSI منخفضة الجهد ومنخفضة القدرة ، McGraw-Hill 2004، ISBN 0-07-143786-X ، 294 صفحة.