الإلكترونيات منخفضة الطاقة

ارتبطت المحاولات الأولى لتقليل الطاقة اللازمة للأجهزة الإلكترونية بتطوير ساعة اليد . تتطلب الساعات الإلكترونية الكهرباء كمصدر للطاقة، وكذلك بعض الحركات الميكانيكية والحركات الكهروميكانيكية الهجينة. عادةً ما تُزوَّد الطاقة الكهربائية ببطارية قابلة للاستبدال . كان أول استخدام للطاقة الكهربائية في الساعات كبديل للنابض الرئيسي ، مما ألغى الحاجة إلى التعبئة. أُصدرت أول ساعة تعمل بالكهرباء، وهي ساعة هاميلتون إلكتريك 500 ، عام 1957 من قِبَل شركة هاميلتون للساعات في لانكستر، بنسلفانيا .

صُنعت أولى ساعات اليد الكوارتزية في عام 1967، باستخدام عقارب تناظرية لعرض الوقت. ^{[ 2 ]}

بطاريات الساعات (أو بالأحرى خلاياها، لأن البطارية تتكون من عدة خلايا) 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 زيارة ورشة إصلاح ساعات أو تاجر ساعات. وتُستخدم البطاريات القابلة لإعادة الشحن في بعض الساعات التي تعمل بالطاقة الشمسية .

كانت أول ساعة إلكترونية رقمية نموذجًا أوليًا من نوع Pulsar LED تم إنتاجه في عام 1970. ^{[ 3 ]} كانت ساعات LED الرقمية باهظة الثمن للغاية وبعيدة عن متناول المستهلك العادي حتى عام 1975، عندما بدأت شركة Texas Instruments في إنتاج ساعات LED بكميات كبيرة داخل علبة بلاستيكية.

كانت معظم الساعات المزودة بشاشات LED تتطلب من المستخدم الضغط على زر لعرض الوقت لبضع ثوانٍ، نظرًا لاستهلاكها العالي للطاقة الذي يمنع تشغيلها المستمر. وقد لاقت هذه الساعات رواجًا لسنوات، لكن سرعان ما حلت محلها شاشات الكريستال السائل (LCD) التي تستهلك طاقة أقل وتتميز بسهولة استخدامها، إذ تبقى الشاشة مرئية دائمًا دون الحاجة للضغط على أي زر لعرض الوقت. في الظلام فقط، كان لا بد من الضغط على زر لإضاءة الشاشة بمصباح صغير، والذي كان يُستخدم لاحقًا لإضاءة مصابيح LED. ^{[ 4 ]}

تستخدم معظم الساعات الإلكترونية اليوم مذبذبات كوارتز بتردد  32.768 كيلو هرتز . ^{[ 2 ]}

اعتبارًا من عام 2013، تعد المعالجات المصممة خصيصًا لساعات اليد هي المعالجات الأقل استهلاكًا للطاقة المصنعة اليوم - وغالبًا ما تكون معالجات 4 بت ، 32.768 كيلو هرتز. 

عندما طُوّرت الحواسيب الشخصية لأول مرة، لم يكن استهلاك الطاقة يُمثّل مشكلة. ولكن مع تطور الحواسيب المحمولة ، أصبح تشغيل الحاسوب بواسطة بطارية خارجية ضرورةً للبحث عن حل وسط بين قوة المعالجة واستهلاك الطاقة. في البداية، كانت معظم المعالجات تُشغّل كلاً من النواة ودوائر الإدخال/الإخراج بجهد 5 فولت، كما في معالج إنتل 8088 المستخدم في أول حاسوب محمول من كومباك . لاحقًا، خُفّض الجهد إلى 3.5 و3.3 و2.5 فولت لتقليل استهلاك الطاقة. على سبيل المثال، انخفض جهد نواة معالج بنتيوم P5 من 5 فولت عام 1993 إلى 2.5 فولت عام 1997.

مع انخفاض الجهد الكهربائي، ينخفض ​​استهلاك الطاقة الإجمالي، مما يجعل تشغيل النظام أقل تكلفة باستخدام أي تقنية بطاريات حالية، ويُمكّنه من العمل لفترة أطول. وهذا أمر بالغ الأهمية للأنظمة المحمولة. وقد حفّز التركيز على تشغيل البطاريات العديد من التطورات في خفض جهد المعالج، نظرًا لتأثيره الكبير على عمر البطارية. أما الفائدة الرئيسية الثانية، فهي أنه مع انخفاض الجهد، وبالتالي انخفاض استهلاك الطاقة، سيقلّ إنتاج الحرارة. ويمكن وضع المعالجات التي تعمل بدرجة حرارة أقل في الأنظمة بشكل أكثر إحكامًا، ما يُطيل عمرها. وتتمثل الفائدة الرئيسية الثالثة في إمكانية تشغيل المعالج الذي يعمل بدرجة حرارة أقل واستهلاك طاقة أقل بسرعة أكبر. وكان خفض الجهد أحد العوامل الرئيسية التي سمحت برفع تردد المعالجات باستمرار. ^{[ 5 ]}

شهدت كثافة وسرعة عناصر الحوسبة في الدوائر المتكاملة نموًا متسارعًا على مدى عقود، وفقًا لقانون مور . ورغم التسليم بأن هذا التحسن المتسارع سينتهي، إلا أنه من غير الواضح تمامًا مدى كثافة وسرعة الدوائر المتكاملة عند بلوغ هذه المرحلة. وقد تم عرض أجهزة عاملة صُنعت باستخدام مواد أشباه موصلات تقليدية، حيث بلغ طول قناة ترانزستور MOSFET فيها 6.3 نانومتر ، كما تم بناء أجهزة أخرى تستخدم أنابيب الكربون النانوية كبوابات MOSFET، مما يُعطي طول قناة يبلغ حوالي نانومتر واحد . وتُعدّ اعتبارات تبديد الطاقة العامل الرئيسي المحدد لكثافة وقدرة الحوسبة في الدوائر المتكاملة.

يتزايد استهلاك الطاقة الإجمالي لأجهزة الحاسوب الشخصية الجديدة بنسبة 22% سنويًا تقريبًا. ^{[ 6 ]} ويأتي هذا الارتفاع في الاستهلاك على الرغم من أن الطاقة التي تستهلكها بوابة منطقية واحدة بتقنية CMOS لتغيير حالتها قد انخفضت بشكل كبير وفقًا لقانون مور، وذلك بفضل انكماش حجم الدوائر. ^{[ 6 ]}

تحتوي رقاقة الدوائر المتكاملة على العديد من الأحمال السعوية ، سواءً كانت مُتعمَّدة (كما هو الحال مع سعة البوابة إلى القناة) أو غير مُتعمَّدة (بين موصلات متقاربة ولكنها غير متصلة كهربائيًا). يُؤدي تغيير حالة الدائرة إلى تغيير في الجهد عبر هذه السعات الطفيلية ، مما يُؤدي بدوره إلى تغيير في كمية الطاقة المُخزَّنة. عند شحن وتفريغ الأحمال السعوية عبر أجهزة مقاومة ، تُبدَّد كمية من الطاقة تُعادل تقريبًا تلك المُخزَّنة في المكثف على شكل حرارة.

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

يؤدي تأثير تبديد الحرارة على تغيير الحالة إلى الحد من كمية العمليات الحسابية التي يمكن إجراؤها ضمن ميزانية طاقة محددة. ورغم أن تصغير حجم الأجهزة قد يقلل من بعض السعات الطفيلية، إلا أن عدد الأجهزة على شريحة الدائرة المتكاملة قد ازداد بما يكفي لتعويض انخفاض السعة في كل جهاز على حدة. تتطلب بعض الدوائر - كالمنطق الديناميكي على سبيل المثال - حدًا أدنى لتردد الساعة لكي تعمل بشكل صحيح، مما يهدر "الطاقة الديناميكية" حتى عندما لا تُجري عمليات حسابية مفيدة. أما دوائر أخرى - أبرزها RCA 1802 ، بالإضافة إلى العديد من الشرائح اللاحقة مثل WDC 65C02 و Intel 80C85 و Freescale 68HC11 وبعض شرائح CMOS الأخرى - فتستخدم "منطقًا ثابتًا تمامًا" لا يتطلب حدًا أدنى لتردد الساعة، ولكنه قادر على "إيقاف الساعة" والحفاظ على حالته إلى أجل غير مسمى. عند إيقاف الساعة، لا تستهلك هذه الدوائر أي طاقة ديناميكية، ولكنها لا تزال تستهلك طاقة ثابتة ضئيلة ناتجة عن تيار التسريب.

مع تصغير أبعاد الدوائر، يزداد تيار التسريب تحت العتبة . ويؤدي هذا التيار إلى استهلاك الطاقة، حتى في حالة عدم وجود عمليات تبديل (استهلاك الطاقة الساكن). في الرقاقات الحديثة، يمثل هذا التيار عادةً نصف الطاقة التي تستهلكها الدائرة المتكاملة.

يمكن تقليل الفاقد الناتج عن التسريب دون العتبة برفع جهد العتبة وخفض جهد التغذية. يؤدي كلا التغييرين إلى إبطاء الدائرة بشكل ملحوظ. ولمعالجة هذه المشكلة، تستخدم بعض الدوائر الحديثة منخفضة الطاقة جهدَي تغذية مزدوجين لتحسين السرعة على المسارات الحرجة للدائرة وخفض استهلاك الطاقة على المسارات غير الحرجة. بل إن بعض الدوائر تستخدم ترانزستورات مختلفة (بجهود عتبة مختلفة) في أجزاء مختلفة من الدائرة، في محاولة لتقليل استهلاك الطاقة بشكل أكبر دون فقدان كبير في الأداء.

من الطرق الأخرى المستخدمة لتقليل استهلاك الطاقة تقنية التحكم في الطاقة : ^{[ 7 ]} وهي استخدام ترانزستورات السكون لتعطيل وحدات كاملة عند عدم استخدامها. غالبًا ما تكون الأنظمة التي تبقى في وضع الخمول لفترات طويلة ثم "تستيقظ" لأداء نشاط دوري موجودة في موقع معزول لمراقبة هذا النشاط. وتعتمد هذه الأنظمة عادةً على البطاريات أو الطاقة الشمسية، ولذا يُعدّ تقليل استهلاك الطاقة أحد أهم متطلبات تصميمها. من خلال إيقاف تشغيل وحدة وظيفية ولكنها تُسرّب التيار حتى يتم استخدامها، يمكن تقليل تيار التسريب بشكل ملحوظ. بالنسبة لبعض الأنظمة المدمجة التي تعمل لفترات قصيرة فقط، يمكن لهذه التقنية أن تُقلل استهلاك الطاقة بشكل كبير.

توجد طريقتان أخريان لتقليل استهلاك الطاقة الناتج عن تغييرات الحالة. الأولى هي خفض جهد تشغيل الدائرة، كما في وحدة المعالجة المركزية ثنائية الجهد ، أو تقليل تغير الجهد المصاحب لتغيير الحالة (بإجراء تغيير الحالة فقط، أو تغيير جهد العقدة بجزء من جهد التغذية - إشارة تفاضلية منخفضة الجهد ، على سبيل المثال). هذه الطريقة محدودة بالضوضاء الحرارية داخل الدائرة. يوجد جهد مميز (يتناسب مع درجة حرارة الجهاز وثابت بولتزمان )، يجب أن يتجاوزه جهد تبديل الحالة لكي تكون الدائرة مقاومة للضوضاء. عادةً ما يكون هذا الجهد في حدود 50-100 ملي فولت، للأجهزة المصممة للعمل عند درجة حرارة خارجية تصل إلى 100 درجة مئوية (حوالي 4 كيلوجول/كلفن ، حيث T هي درجة الحرارة الداخلية للجهاز بالكلفن و k هو ثابت بولتزمان ).

يتمثل النهج الثاني في محاولة تزويد الأحمال السعوية بالشحنة عبر مسارات غير مقاومة في المقام الأول. هذا هو المبدأ الذي تقوم عليه الدوائر الأديباتية . تُزوَّد الشحنة إما من مصدر طاقة حثي ذي جهد متغير أو بواسطة عناصر أخرى في دائرة منطقية عكسية . في كلتا الحالتين، يجب أن يكون نقل الشحنة مُنظَّمًا بشكل أساسي بواسطة الحمل غير المقاوم. وكقاعدة عامة، يعني هذا أن معدل تغير الإشارة يجب أن يكون أبطأ من المعدل الذي يحدده ثابت الزمن RC للدائرة قيد التشغيل. بعبارة أخرى، ثمن انخفاض استهلاك الطاقة لكل وحدة حسابية هو انخفاض السرعة المطلقة للحساب. عمليًا، على الرغم من بناء دوائر أديباتية، إلا أنه كان من الصعب عليها تقليل طاقة الحساب بشكل كبير في الدوائر العملية.

أخيرًا، توجد عدة تقنيات لتقليل عدد تغييرات الحالة المرتبطة بعملية حسابية معينة. في دوائر المنطق الموقوت، تُستخدم تقنية التحكم في توقيت الساعة لتجنب تغيير حالة الوحدات الوظيفية غير المطلوبة لعملية معينة. وكبديل أكثر جذرية، يُنفذ نهج المنطق غير المتزامن الدوائر بطريقة لا تتطلب ساعة خارجية محددة. ورغم استخدام هاتين التقنيتين بدرجات متفاوتة في تصميم الدوائر المتكاملة، يبدو أن حدود التطبيق العملي لكل منهما قد تم بلوغها.

توجد تقنيات متنوعة لتقليل استهلاك طاقة البطارية اللازمة لتحقيق معدل نقل بيانات لاسلكي مُرضٍ . ^{[ 8 ]} تستخدم بعض شبكات المش اللاسلكية تقنيات بث ذكية منخفضة الطاقة، مما يقلل من استهلاك طاقة البطارية اللازمة للإرسال. ويمكن تحقيق ذلك باستخدام بروتوكولات مُراعية لاستهلاك الطاقة وأنظمة تحكم مشتركة في الطاقة.

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 التزويد بالطاقة والتبريد عمومًا على أقصى طاقة يمكن استخدامها في أي وقت. هناك طريقتان لمنع تلف النظام بشكل دائم بسبب الحرارة الزائدة. تُصمم معظم أجهزة الكمبيوتر المكتبية أنظمة الطاقة والتبريد بناءً على أسوأ حالات تبديد طاقة المعالج عند أعلى تردد، وأقصى حمل عمل، وأسوأ بيئة تشغيل. ولتقليل الوزن والتكلفة، تختار العديد من أجهزة الكمبيوتر المحمولة استخدام نظام تبريد أخف وزنًا وأقل تكلفة، مصمم بناءً على طاقة تصميم حراري أقل بكثير، وهي أعلى قليلًا من أعلى تردد متوقع، وحمل عمل نموذجي، وبيئة تشغيل نموذجية. عادةً ما تُخفّض هذه الأنظمة تردد المعالج عندما ترتفع درجة حرارته بشكل كبير، مما يقلل الطاقة المُبددة إلى مستوى يمكن لنظام التبريد التعامل معه.

تُعدّ الأجهزة الطبية القابلة للزرع من أكثر التطبيقات تطلبًا للإلكترونيات منخفضة الطاقة، إذ يجب أن تعمل بكفاءة عالية لسنوات أو عقود داخل جسم الإنسان دون الحاجة إلى جراحة استبدال البطارية. ومن بين هذه الأجهزة، أجهزة تنظيم ضربات القلب ، وزراعة القوقعة ، وأجهزة تحفيز الأعصاب ، وأجهزة تقويم نظم القلب القابلة للزرع، والتي تعتمد بشكل كبير على تصميم الدوائر الكهربائية منخفضة الطاقة للغاية. ^{[ 10 ]}

تستهلك أجهزة تنظيم ضربات القلب، على سبيل المثال، بضع عشرات من الميكروأمبيرات فقط من التيار، مما يسمح لبطاريات الليثيوم يوديد بتشغيل الجهاز لمدة تصل إلى عشر سنوات أو أكثر دون الحاجة إلى استبدالها. ^{[ 11 ]} تشمل استراتيجيات التصميم تشغيل ترانزستورات CMOS في منطقة الانعكاس الضعيف لتقليل استهلاك التيار، وخفض الجهد بشكل كبير ، وبوابات الطاقة لإيقاف تشغيل دوائر غير نشطة، واستخدام تقنيات حصاد الطاقة مثل تحويل الطاقة الميكانيكية من نبضات القلب أو حركة الجسم إلى طاقة كهربائية.

يفرض استهلاك الطاقة المحدود للأجهزة القابلة للزرع قيودًا صارمة على جميع الأنظمة الفرعية، بما في ذلك وحدات استقبال الإشارات، ومعالجات الإشارات الرقمية ، ووصلات القياس عن بُعد اللاسلكية. ونتيجةً لذلك، حفزت الأجهزة الطبية القابلة للزرع ابتكاراتٍ كبيرة في تصميم الدوائر المتكاملة منخفضة الطاقة للغاية ، وكان للتقنيات المطورة لهذا المجال تأثيرٌ واسع على الإلكترونيات منخفضة الطاقة بشكل عام.

• ترانسميتا
• آلة Acorn RISC (ARM)
• معالج دقيق AMULET
• وحدات التحكم الدقيقة Microchip nanoWatt XLP PIC
• وحدات التحكم الدقيقة MSP430 من شركة تكساس إنسترومنتس
• وحدات التحكم الدقيقة EFM32 من Energy Micro/Silicon Labs
• وحدات التحكم الدقيقة STM32 من شركة STMicroelectronics
• وحدات التحكم الدقيقة Atmel/Microchip SAM L