Energie-Management zählt zu den am stärksten wachsenden, meist beachteten Technologiebereichen und wirkt sogar auf die Funktionsweise von Embedded-Geräten zurück. Aus Sicht des Systemintegrators ist Power-Management ein Werkzeug zum Ausbalancieren der oft widersprüchlichen Forderungen des Systems, seine Aufgaben zu erfüllen, gegen die konkurrierenden Anforderungen zur Energieeinsparung.Das Beispiel Handheld ist symptomatisch für alle Embedded-Systeme. Zusätzlich ist durch Vernetzung und Internet, also Zugriff auf Kommunikation mit höherer Bandbreite, ein ganzheitlicher Ansatz mit noch höher entwickelten Power-Management-Technologien erforderlich geworden. In fest eingebauten Plattformen mit meist hohen Leistungsanforderungen, beispielsweise im Automobil, zwingt zudem der Kostenaufwand für Zuverlässigkeit und Packaging die Entwickler zur Suche nach energiesparenden Maßnahmen. Denn eine übermäßige Verlustleistung kann nicht nur zu höheren Gehäuse- und Kühlkosten, sondern auch zu potenziellen Zuverlässigkeitsproblemen führen. Ein typisches Embedded-System besteht aus einer Basis-Hardwareplattform, die System- und Applikationssoftware ausführt und mit einer Reihe von Peripheriegeräten verbunden ist. Dabei stellt die Hardware die Recheneinheiten, die Kommunikationskanäle sowie die Speicher zur Verfügung. Als Peripherie gelten Displays, WLANs und Eingabegeräte wie Tastaturen. Energieeffizienz wird durch eine Reduzierung des Leistungsverbrauchs in allen Bereichen der Entwicklung erreicht, einschließlich der Peripheriegeräte. Die Wahl der Softwareimplementierung (Betriebssystem-Kernel, Anwendungscode) beeinflusst die Energieeffizienz von Hardware und Peripherie. Entsprechend ist die Frage des Leistungsverbrauchs bereits zu einem frühen Zeitpunkt der Hardware-Software-Co-Synthese relevant. Zurück zum (Embedded-)Beispiel Handheld: Moderne Lithium-Ionen-Batterien liefern heute mit geringerem Volumen eine höhere Kapazität, die jedoch durch unablässig steigende Ansprüche an Funktionalität, Sicherheit und schnelle Ladezeiten sofort wieder aufgebraucht wird. Eine Verbesserung der Batterietechnologie kann diese Problematik alleine nicht lösen; dazu bedarf es neuer Architekturen. Denn bei der Zahl der Stromverbraucher ist kein Ende abzusehen.
Geometrie beeinflusst Leistung
Bei der Hardware spielen auch die schrumpfenden Halbleitergeometrien eine Rolle. Das bei 90-nm-Strukturen zur Leistungseinsparung ausreichende „Clock Gating“ reicht bei 32 oder 28 nm nicht mehr aus. Hingegen passen die SoC-Designs beim Übergang auf Multicore-Architekturen Frequenz und Spannung der CPU flexibel mithilfe der dynamischen Spannungs- und Frequenz-Skalierung an die Arbeitslast an und senken so den Leistungsbedarf. Gleichzeitig stellt eine verringerte Versorgungsspannung eine effektive Methode zur Stromeinsparung dar; eine Halbierung der Spannung senkt den (dynamischen) Leistungsverbrauch um einen Faktor vier (halbiert allerdings auch die maximale Betriebsfrequenz des Prozessors). Gleichzeitig wird die statische Verlustleistung, die mit Gate-Leakage und Leckstrom zusammenhängt, minimiert. Moderne Designs enthalten Power-Management-ICs (PMIC), welche die benötigten Versorgungsspannungen liefern und DVFS unterstützen. Sie passen die Spannung an die im SoC aktuell benötigten Frequenzen an. Außerdem müssen sie den sich über die Zeit ändernden Batteriespannungen Rechnung tragen, also ein Batteriemanagement durchführen und gegebenenfalls Alarm auslösen. Mit diesen Chips lässt sich mittlerweile gut Geld verdienen: Der weltweite Umsatz mit Power-Management-Halbleitern liegt bei 31 Milliarden US-Dollar, bis 2014 wird mit einer Verdopplung gerechnet. SoCs setzen sich oft aus zahlreichen CPUs und DSPs sowie eingebauter Peripherie zusammen, die ebenfalls zur Energieeinsparung beitragen können. Beispielsweise kann ein USB-Host-Controller den USB-Bus zeitweilig in den Ruhezustand versetzen oder ganz abschalten. Auch die CPUs können auf verschiedene Arbeitsniveaus geschaltet werden. Doch je tiefer der Ruhezustandspegel, desto länger die Zeit bis zum Aufwachen. Auch die integrierten DRAMs können in den „Selbsterhaltungs“-Betrieb versetzt werden, was indes die Latenzzeit des Systems erhöht. Beim Aufwachen muss erst geprüft werden, ob alle DRAM-Inhalte noch gültig sind und die Register wiederhergestellt werden. Der Zwiespalt ist offenkundig: Wer will schon eine lahme Ente als Smartphone? Die Software ist für die Energieeinsparung in digitalen Systemen von zentraler Bedeutung. Zum einen ist bereits durch vereinfachte und optimierte Algorithmen auf Systemebene eine beträchtliche Stromverbrauchssenkung erzielbar.Software für Power ManagementAndererseits können Software-Management-Strategien die Leistungseffizienz verbessern, doch werden sie letztlich durch die von der Hardware gebotenen Merkmale begrenzt. Die Power-Management-Software lässt sich dabei in zwei Hauptkategorien unterteilen, in reaktives und proaktives Management. Beim reaktiven Power-Management werden die Chips in Power-Domänen unterteilt, die entweder durch über Register geregelte Power Modes oder durch Power Gating geregelt werden. Ein reaktives Power-Management überwacht, wann Bausteine eingesetzt werden, erfasst Inaktivitäten und reagiert, indem sie diesen Bereich auf niedrigere Versorgungsebenen versetzt. In der proaktiven Stufe steuert die Software die mit der CPU im System verbundenen DVFS-Mechanismen. Das setzt die richtige Einstellung der passenden Frequenz- und Spannungspegel voraus. Die Anforderungsprofile der Anwendungen können nun vorgegeben sein, oder die Tasks können ihre Ansprüche an die Energieversorgung über System-APIs selbst einstellen. Der Scheduler erkennt, welche Tasks bereit sind und terminiert Spannung und Frequenz der CPU entsprechend. Eine Leerlaufüberwachung informiert den Power-Manager über die Beendigung der Tasks. Dabei werden Daten über die letzten fünf bis zehn Schedules gesammelt und gespeichert und vorausschauende Schlüsse daraus gezogen. Außerdem wird überwacht, auf welche APIs oder Bausteine die Tasks zugreifen; es macht einen großen Unterschied, ob die Leistung für eine Tastenbetätigung oder für den Zugriff eines GPS oder eines LCD-Controllers nötig ist.
Hybride Ansätze
Die Mehrzahl der Halbleiterhersteller hat raffinierte, meist hybride Technologien entwickelt, um Power-Management-Probleme anzugehen, zum Beispiel ARM (auch in Verbindung mit NSC) mit dem intelligenten Energie-Manager IEM, Freescale mit eXtreme Energy Conservation XEC, National Semiconductor mit der PowerWise-Technologie, Texas Instruments mit SmartRex, Intel mit SpeedStep und EIST, AMD mit Cool´n´Quiet bzw. OPM oder Transmeta mit LongRun. Energieeffizienz und Power Management zählen zu den größten Herausforderungen bei Embedded-Systemen. Sie dürfen nicht als nachträgliche Ergänzung des Systems gesehen werden; maximale Energieeffizienz ist nur erreichbar, wenn die Hardwareeigenschaften intelligent mit den Möglichkeiten von Software und dem Betriebssystem kombiniert werden. Das OS regelt nicht nur die Ablaufplanung der CPU-Cores im SoC, sondern auch die Energienutzung des Systems. Durch einen kombinierten Ansatz von reaktivem und proaktivem Power Management lässt sich die Energieeinsparung in vielen modernen Embedded-Geräten maximieren, die für die Erledigung ihrer immer fortschrittlicheren Aktivitäten ständig noch mehr Strom brauchen.
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