저전력 전자제품

Low-power electronics

저전력 전자제품은 노트북 프로세서와 같은 전자제품으로, 통상보다 적은 전력을 소비하도록 설계되어 있으며, 많은 경우 비용이 듭니다.노트북 프로세서의 경우 이 비용은 처리 능력입니다.일반적으로 노트북 프로세서는 데스크톱 프로세서에 비해 소비 전력이 적지만 처리 능력은 [1]낮습니다.

역사

시계들

주요 기사 : 시계

전자 기기에 필요한 전력량을 줄이기 위한 최초의 시도는 손목시계의 개발과 관련이 있었다.전자시계는 전원으로 전기를 필요로 하며, 일부 기계적 움직임과 하이브리드 전기기계적 움직임도 전기를 필요로 한다.일반적으로 전기는 교체 가능한 배터리로 공급됩니다.시계의 첫 번째 전력 사용은 태엽을 감을 필요성을 없애기 위해 주 스프링을 대체하는 것이었습니다.최초의 전동 시계인 해밀턴 일렉트릭 500은 펜실베니아 랭커스터의 해밀턴 시계 회사에 의해 1957년에 출시되었습니다.

최초의 쿼츠 손목시계는 1976년에 아날로그 바늘을 사용하여 시간을 [2]표시하기 위해 제조되었다.

배터리(배터리는 여러 셀로 구성되어 있으므로 엄밀히 말하면 셀)는 용도에 맞게 특별히 설계되었습니다.매우 작고 매우 오랜 시간(수년 이상) 동안 소량의 전력을 지속적으로 공급합니다.경우에 따라서는 배터리를 교체하기 위해 시계 수리소나 시계 딜러를 방문해야 합니다.충전식 배터리는 일부 태양열 시계에서 사용됩니다.

최초의 디지털 전자 시계는 [3]1970년에 생산된 Pulsar LED 프로토타입이었다.디지털 LED 시계는 매우 비쌌고 1975년 텍사스 인스트루먼트가 플라스틱 케이스 안에 LED 시계를 대량 생산하기 전까지 일반 소비자들에게는 닿지 않았다.

LED가 계속 작동할 수 없을 정도로 많은 전력을 소비하기 때문에 LED 디스플레이가 장착된 대부분의 시계에서는 사용자가 버튼을 눌러 몇 초 동안 표시되는 시간을 볼 필요가 있습니다.LED 디스플레이가 있는 시계는 몇 년 동안 인기가 있었지만, 곧 LED 디스플레이가 LCD로 대체되었는데, LCD는 배터리 전력을 덜 사용하고 사용 편의성이 훨씬 높았으며, 디스플레이는 항상 표시되며 시간을 보기 전에 버튼을 누를 필요가 없었다.어두울 때만 버튼을 눌러 작은 전구(나중에 LED를 [4]점등)로 디스플레이를 켜야 했습니다.

오늘날 대부분의 전자 시계는 32kHz 석영 발진기를 [2]사용합니다.

2013년 현재, 손목시계용으로 특별히 설계된 프로세서는 오늘날 제조된 프로세서 중 가장 낮은 전력 소비율을 자랑하며, 대부분의 경우 4비트, 32kHz 프로세서입니다.

모바일 컴퓨팅

개인용 컴퓨터가 처음 개발되었을 때, 전력 소비는 문제가 되지 않았다.그러나 휴대용 컴퓨터가 발달함에 따라 배터리 팩으로 컴퓨터를 구동해야 하기 때문에 컴퓨팅 능력과 소비 전력 사이의 타협점을 찾아야 했습니다.원래 대부분의 프로세서는 최초의 Compaq Portable에서 사용된 Intel 8088과 같이 코어 회로와 I/O 회로를 모두 5V로 구동했습니다.이후 소비전력을 낮추기 위해 3.5, 3.3, 2.5볼트로 감소했습니다.예를 들어 Pentium P5 코어 전압은 1993년 5V에서 1997년 2.5V로 낮아졌습니다.

전압이 낮아지면 전체적인 소비전력이 낮아지기 때문에 기존 배터리 테크놀로지로 시스템을 가동하는 비용이 절감되고 장시간 작동할 수 있습니다.이는 휴대용 또는 모바일 시스템에서 매우 중요합니다.배터리 동작에 대한 강조는 배터리 지속 시간에 큰 영향을 미치기 때문에 프로세서 전압을 낮추는 데 많은 발전을 가져왔습니다.두 번째 주요 이점은 전압이 낮아지면 열 발생량이 감소한다는 것입니다.냉각 기능이 뛰어난 프로세서는 시스템에 보다 촘촘하게 장착할 수 있어 수명이 길어집니다.세 번째 주요 장점은 적은 전력으로 냉각되는 프로세서를 보다 빠르게 실행할 수 있다는 것입니다.전압을 낮추는 것은 프로세서의 클럭 속도를 점점 더 높이는데 중요한 요소 중 하나입니다.[5]

일렉트로닉스

컴퓨팅 요소

집적회로 컴퓨팅 요소의 밀도와 속도는 무어의 법칙에 따라 수십 년 동안 기하급수적으로 증가해 왔습니다.일반적으로 이 지수적인 개선 추세가 끝날 것이라는 것은 인정되지만, 이 시점에 이르면 집적회로가 얼마나 조밀하고 빠르게 될지는 불분명합니다.기존 반도체 재료를 이용해 6.3나노미터의 MOSFET 트랜지스터 채널 길이로 제작된 작업 소자를 시연했으며, 카본 나노튜브를 MOSFET 게이트로 사용해 약 1나노미터의 채널 길이를 제공하는 소자를 제작했다.집적회로의 밀도와 컴퓨팅 파워는 주로 전력 소산에 의해 제한됩니다.

새로운 PC의 전체적인 소비전력은 [6]매년 약 22%씩 증가하고 있습니다.이러한 소비 증가는 하나의 CMOS 로직 게이트가 상태를 변화시키기 위해 소비하는 에너지가 [6]수축으로 인해 무어의 법칙에 따라 기하급수적으로 감소했음에도 불구하고 발생합니다.

집적회로칩은 의도적으로(게이트 투 채널 캐패시턴스와 마찬가지로) 형성되거나 의도하지 않게(서로 가깝지만 전기적으로 접속되지 않은 도체 간에) 많은 용량성 부하를 포함한다.회로 상태를 변경하면 이러한 기생 캐패시턴스에 걸쳐 전압의 변화가 발생하며, 이는 저장된 에너지량의 변화를 수반합니다.용량성 부하는 저항성 장치를 통해 충전 및 방전되므로 캐패시터에 저장된 에너지와 동등한 양의 에너지가 열로 방출됩니다.

열방산이 상태 변화에 미치는 영향은 주어진 전력 버젯 내에서 실행될 수 있는 계산량을 제한하는 것입니다.디바이스의 수축은 일부 기생 캐패시턴스를 줄일 수 있지만 집적회로 칩 상의 디바이스 수는 각 디바이스의 캐패시턴스 감소를 보상하기에 충분할 정도로 증가했습니다.예를 들어 동적 로직과 같은 일부 회로는 올바르게 작동하기 위해 최소 클럭 레이트가 필요하며 유용한 계산을 수행하지 않아도 "동적 전력"을 낭비합니다.그 외의 회로(특히, RCA 1802)는, WDC 65C02, 인텔 80C85, Freescale 68HC11, 및 그 외의 CMOS 칩등)에서는, 최소 클럭 레이트가 없는 「완전 정적 논리」를 사용하고 있습니다만, 그 상태를 무한히 유지할 수 있습니다.클럭이 정지되어 있는 경우, 이러한 회로는 동적 전력을 사용하지 않지만, 누설 전류에 의한 정적 전력 소비는 여전히 적습니다.

회로 치수가 축소됨에 따라 역치 이하 누출 전류가 더욱 두드러집니다.이 누설 전류에 의해 스위칭이 이루어지지 않는 경우(정적 소비전력)에도 소비전력이 발생합니다.최신 칩에서는 일반적으로 이 전류가 IC가 소비하는 전력의 절반을 차지합니다.

전력 손실 감소

역치전압을 올리고 공급전압을 낮춤으로써 역치하누출에 의한 손실을 줄일 수 있다.이러한 변경은 모두 회선의 속도를 현저하게 저하시킵니다.이 문제에 대처하기 위해 일부 최신 저전력 회로에서는 이중 전원 전압을 사용하여 회로의 임계 경로에서 속도를 향상시키고 중요하지 않은 경로에서 소비 전력을 낮춥니다.일부 회로는 성능 저하 없이 전력 소비를 더욱 줄이기 위해 회로의 다른 부분에서 서로 다른 트랜지스터(임계값 전압)를 사용합니다.

전력 소비를 줄이기 위해 사용되는 또 다른 방법은 전력 [7]게이트입니다. 즉, 사용하지 않을 때 전체 블록을 비활성화하기 위해 sleep 트랜지스터를 사용하는 것입니다.장시간 휴면 상태이며 정기적인 액티비티를 실행하기 위해 "웨이크업"된 시스템은 액티비티를 감시하는 격리된 장소에 있는 경우가 많습니다.이러한 시스템은 일반적으로 배터리 또는 태양열로 작동하므로 전력 소비량을 줄이는 것이 이러한 시스템의 주요 설계 문제입니다.기능적이지만 누출이 있는 블록을 사용할 때까지 차단함으로써 누출 전류를 크게 줄일 수 있습니다.한 번에 단기간만 기능하는 임베디드 시스템의 경우 전력 소비를 대폭 줄일 수 있습니다.

상태 변경의 전력 오버헤드를 줄이기 위한 두 가지 접근법도 존재합니다.하나는 이중전압 CPU와 같이 회로의 동작전압을 낮추거나 상태변화에 수반하는 전압변화를 줄이는 것입니다(상태변화만 하고 노드전압을 공급전압의 극히 일부(예를 들어 저전압차동신호) 등).이 방법은 회로 내의 열 노이즈에 의해 제한됩니다.고유 전압(디바이스 온도 및 볼츠만 상수에 비례함)이 있으며, 회로가 노이즈에 저항하기 위해서는 상태 전환 전압이 초과되어야 합니다.이것은 일반적으로 섭씨 100도까지 정격된 장치의 경우 약 50–100mV입니다(약 4kT, 여기서 T는 장치의 내부 온도(켈빈 단위), k는 볼츠만 상수).

두 번째 방법은 주로 저항성이 없는 경로를 통해 용량성 부하에 전하를 공급하는 것입니다.이것은 단열 회로의 이면에 있는 원리입니다.충전은 가변 전압 유도 전원 공급 장치 또는 가역 논리 회로의 다른 소자에서 공급됩니다.두 경우 모두 전하 전송은 주로 비저항 부하에 의해 제어되어야 합니다.이는 실제적인 경험으로 볼 때 신호의 변화속도가 구동회선의 RC시정수에 의해 지시된 속도보다 느릴 필요가 있음을 의미합니다.즉, 단위 계산당 전력 소비 감소의 가격은 절대 계산 속도를 낮춘 것입니다.실제로는 단열회로가 만들어졌지만 실제 회로에서는 계산능력을 크게 낮추는 것이 어려웠다.

마지막으로, 주어진 계산과 관련된 상태 변화 수를 줄이기 위한 몇 가지 기술이 있습니다.클럭 로직 회선의 경우 클럭 게이트 기술을 사용하여 특정 동작에 필요하지 않은 기능 블록의 상태 변경을 방지합니다.보다 극단적인 대안으로 비동기 논리 접근방식은 특정 외부적으로 공급되는 클럭이 필요하지 않은 방법으로 회로를 구현합니다.집적회로 설계에서는 이러한 두 가지 기술이 서로 다른 익스텐트에 사용되지만, 각각의 실제 적용 가능성의 한계에 [citation needed]도달한 것으로 보입니다.

무선 통신 요소

원하는 무선 통신의 [8]양에 필요한 배터리 소비 전력을 줄이는 방법은 다양합니다.일부 무선 메쉬 네트워크에서는 전송에 필요한 배터리 전력을 줄이는 "스마트" 저전력 브로드캐스트 기술을 사용합니다.브로드캐스트 기술을 사용하고 있습니다.이는 전력 인식 프로토콜과 공동 전력 제어 시스템을 사용하여 달성할 수 있습니다.

비용.

2007년에는 평균 IT 예산의 약 10%가 에너지 비용으로 지출되었으며,[9] 2010년에는 IT의 에너지 비용이 50%까지 증가할 것으로 예상됩니다.

전원 및 냉각 시스템의 무게와 비용은 일반적으로 언제든지 사용할 수 있는 최대 전력량에 따라 달라집니다.과도한 열로 인해 시스템이 영구적으로 손상되지 않도록 하려면 두 가지 방법이 있습니다.대부분의 데스크톱 컴퓨터는 최대 주파수, 최대 워크로드 및 최악의 환경에서 최악의 CPU 전력 소모를 고려하여 전력 및 냉각 시스템을 설계합니다.많은 노트북 컴퓨터는 무게와 비용을 줄이기 위해 최대 주파수, 일반적인 워크로드 및 일반적인 환경을 다소 상회하는 열설계 전력으로 설계된 훨씬 가볍고 저렴한 냉각 시스템을 사용합니다.일반적으로 이러한 시스템은 CPU 다이 온도가 너무 높아지면 클럭 속도를 감소시켜(스로틀) 냉각 시스템이 처리할 수 있는 수준까지 방산되는 전력을 줄입니다.

예

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ "Intel Processor Letter Meanings [Simple Guide]". 2020-04-20.
  2. ^ a b 에릭 A.비토즈."전자 시계 및 저전력 회로"2008.
  3. ^ "All in Good Time: HILCO EC director donates prototype of world's first working digital watch to Smithsonian". Texas Co-op Power. Feb 2012. Retrieved 2012-07-21.
  4. ^ 미국 특허 4,096,550: W. Boller, M. Donati, J. Fingerle, P. Wild, 필드 이펙트 액정 디스플레이를 위한 조명 장치 및 조명 장치의 제작 및 적용, 1976년 10월 15일 출원.
  5. ^ Scott Mueller와 Mark Edward Soper, 2001년 마이크로프로세서의 종류와 사양
  6. ^ a b 폴 드몬."CPU의 놀라운 축소: 전력 증식의 위험.2004년 [1]
  7. ^ K. Roy, et al., "심층 서브 마이크로미터 CMOS 회로에서 누출 전류 메커니즘 및 누출 감소 기술", IEEE, 2003의 계속.[2]
  8. ^ Bill McFarland 2008의 "옵션의 무선 절전 프로토콜을 사용하여 전력 소비를 대폭 줄이는 방법"
  9. ^ King, Rachael (2007-05-14). "Averting the IT Energy Crunch". Businessweek. Archived from the original on 2013-01-05. Energy costs, now about 10% of the average IT budget, could rise to 50% ... by 2010.
  10. ^ Brad Graves (2021-08-15). "Wiliot Series C Totals $200M". San Diego Business Journal. Retrieved 2022-07-08.

추가 정보

외부 링크