Effektives Powermanagement benötigt Hardware und Software Optimale Funktionsdauer pro Batterieladung #####

Die eher mäßigen technologischen Fortschritte bei der Entwicklung von Akkumulatoren und Batterien können mit dem wachsenden Leistungshunger der jüngsten elektronischen mobilen Geräte nicht Schritt halten. Hardware-Entwickler müssen zu ausgeklügelten Stromspartechniken greifen, um den Stromverbrauch der ICs und des gesamten Gerätes zu minimieren. Doch ohne intelligente Energiespar-Software, die das letzte Quentchen herausholt, lässt sich die Funktionsdauer pro Batterieladung weder erhalten noch verlängern.

Effektives Powermanagement benötigt Hardware und Software

Die eher mäßigen technologischen Fortschritte bei der Entwicklung von Akkumulatoren und Batterien können mit dem wachsenden Leistungshunger der jüngsten elektronischen mobilen Geräte nicht Schritt halten. Hardware-Entwickler müssen zu ausgeklügelten Stromspartechniken greifen, um den Stromverbrauch der ICs und des gesamten Gerätes zu minimieren. Doch ohne intelligente Energiespar-Software, die das letzte Quentchen herausholt, lässt sich die Funktionsdauer pro Batterieladung weder erhalten noch verlängern.

Hersteller von mobilen Geräten wie Funktelefonen, PDAs und anderen batteriebetriebenen Produkten stellen fest, dass ihr brennendstes Problem nicht mehr darin liegt, eine adäquate Rechenleistung zu realisieren. Sie sprechen nun von „Leistungsdurchsatz innerhalb des zur Verfügung stehenden Energiebudgets“. Mobile Telekommunikationsendgeräte warten mit immer leistungshungrigeren Anwendungen auf, und die Netzbetreiber müssen feststellen, dass die Funktionsdauer dieser Geräte direkt das Nutzerverhalten und damit ihren Umsatz beeinflusst. Die Halbleiterhersteller verspüren immer mehr Druck, ihren Beitrag zur Energieverbrauchsreduktion ihrer ICs zu leisten. Hier aber muss man gleich auf mehreren Ebenen angreifen: in der Halbleiterprozesstechnologie, bei den für die Schaltung benutzten Designverfahren, bei der Systemarchitektur, bei der Plattformkonfiguration, bei den Designmethoden und -Tools bis hin zur System-Software und zu vernetzten Intelligenzfunktionen.

Die größten Stromverbraucher

Die Leistungsaufnahme von CMOS-ICs lässt sich in zwei Komponenten aufsplitten: die von einem Schaltkreis im Betrieb (z.B. bei Schaltvorgängen) verbrauchte dynamische Leistung und die statische Leistung, die immer benötigt wird, sobald der Baustein mit Strom versorgt wird. Obwohl der statische Leistungsanteil noch deutlich unter dem dynamischen liegt, beansprucht er bei weiterer Miniaturisierung der CMOS-Strukturen einen immer größeren Anteil am Gesamt-Energieverbrauch. Daher müssen Stromspartechniken beide Elemente der Stromaufnahme berücksichtigen, um Nutzungsdauer, Standby-Zeit und andere verbrauchsrelevante Aspekte eines mobilen Gerätes zu verbessern. Ein weiterer Energiefresser in mobilen Geräten ist die Hintergrundbeleuchtung der immer größeren Farb-LCDs.

Stromsparende Technologien

Mit einer Reihe von Technologien, die entweder auf dem Chip oder extern greifen, lässt sich das Übel an der Wurzel packen. Viele sind vollständig in Hardware realisiert, während andere für eine optimale Funktion Software benötigen. Darunter finden sich Verfahren wie das dynamische Anpassen der Spannung und der Frequenz (DVFS, Dynamic Voltage and Frequency Scaling), die dynamische Prozess- und Temperaturkompensierung (DPTC, Dynamic Process and Temperature Compensation) sowie die Vorhersage von Leerlaufzeiten, um Strom sparende Leerlaufmodi (Doze, Sleep usw.) zu aktivieren. Mit Dynamic Power Management (DPM) werden die Betriebszustände der Hardware-Module in Echtzeit so gesteuert, dass der Energieverbrauch minimiert, aber doch alle Anforderungen in punkto Rechenleistung erfüllt werden. Die Hardware muss dazu über Komponenten – wie Prozessorkerne oder Peripheriefunktionen – verfügen, die softwaregesteuert Kompromisse zwischen Leistungsdurchsatz und Stromaufnahme einstellen und dieses Verhältnis optimieren können. Solche Bausteine sind im Allgemeinen auch als PMCs (Power Managed Components) bekannt.

Die Mobilfunk-Chipsätze von Freescale Semiconductor, beispielsweise die MXC-Basisbandprozessoren und die i.MX31-Applikationsprozessoren, sind mit vielen solchen PMCs ausgestattet. Die zur Anwendung kommenden Verfahren reichen von Strom sparenden Leerlaufmodi über eine dynamische Skalierung von Spannung und Frequenz bis hin zur dynamischen Prozess- und Temperaturkompensation.

Dynamische Frequenzskalierung
Im Großen und Ganzen verhält sich die dynamische Leistungsaufnahme proportional zur Betriebsfrequenz. Daher ist es sinnvoll, die Taktfrequenz eines Prozessors auf den geringstmöglichen Wert abzusenken, der den geforderten Leistungsdurchsatz gerade noch erfüllt. Das heißt, dass die Software zwar langsamer abläuft, aber, eventuell mit geringen Abstrichen, immer noch die vorgegebenen Echtzeit-Kriterien erfüllt. Allerdings benötigt ein mit der halben Frequenz getakteter Prozessor doppelt so lange, um den gleichen Code abzuarbeiten. Da Energie das Integral der Leistung über der Zeit ist, spart diese Methode vermutlich nicht viel Energie. In der Praxis könnten allerdings einige Sekundäreffekte im Systemspeicher dazu führen, dass weniger Schaltvorgänge erforderlich sind und daher Energie eingespart wird. Die Vorteile einer Frequenzskalierung alleine sind – was die Energieeinsparung betrifft – vernachlässigbar.

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