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功率技術/新能源  

系統級設計趨勢推動超低功耗運算新時代

上網時間: 2013年01月16日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:能效  垃圾壓縮機  無線感測器  單原子元件  ARM 

提高能源效率是電子產業必須走的路,但從系統級角度看待問題也很重要。這是史丹佛大學能源策略與財經系Steyer-Taylor中心研究員Jonathan Koomey在日前ARM 2012年開發者大會(ARM TechCon)專題演講中解釋‘為什麼超低功耗運算可望改變一切’所強調的重點。

Koomey討論到電子系統中的測量效率,然後透過一個有趣的例子說明基於分佈式檢測與處理的應用如何有助於改善社會。Koomey教授提到的一項經驗教訓是,節能的好處通常來自於位元,而不是原子。

邁向未來發展的重要問題就在於如何建構低功耗或自我供電的系統,Koomey教授強調,截至目前為止,微型化不僅催生了更高性能的電晶體,還催生開關時消耗更少能量的電晶體。

Koomey並強調業界改善電腦與手機應用能效的長期發展趨勢。在電腦運算方面,整個PC時代每隔1.5年,能效就增加一倍,Koomey 說,“從1940年代開始,能效每十年就提升100倍。”但他坦承,這些算法並未考慮系統空閒時的功耗等重要問題。在大多數系統中,閒置功耗以及進出主動模式的傳輸速度比主動模式的功耗更重要。

就像電腦功能一樣,要提高手機功效的進展,選擇測量的內容十分重要。Koomey透露,他有一位助理正繪製500部手機的能源效率,這些手機可追溯到1984年代的摩托羅拉產品,衡量標準是每瓦時的通話時間。雖然目前手機的功能已經不止是語音通話這麼簡單了,但根據至今的統計結果顯示,每年約可取得8%的改善。

採取系統級觀點

但智慧化設計如何有效節省功耗?例如BigBelly垃圾壓縮機採用太陽能供電,可將垃圾壓縮到原始大小的20%。但真正的創新之處在於,當壓縮機裝滿垃圾時可發送訊息,通知垃圾車儘量減少垃圾收集的次數。“更少的垃圾車來回次數意味著運送的不再是原子而是位元”。Koomey表示。

Koomey教授還討論了無線感測器微粒。這些微粒可用於監控市區停車場,並由無線和電視訊號收集到的能量進行供電。監控資料隨後可用於驅動街道上的交通訊號,為行車駕駛提供正確的行車引導。此外,讓駕駛迅速找到停車位,也意味著減少塞車以及更少的汽油消耗。

然而,微型化和能效的優勢並不會自動發生,Koomey提醒道。好消息是,以目前的進展速度,在2041年前,都還不至於達到單一原子級電晶體行動的Feynman極限。然而,在此之前的很長一段時間內,積體電路的作業和生產必須基於不同的原理,他指出。

美國普渡大學和新南威爾斯大學聯手成立的研究團隊已經開發出一種可靠的單原子元件,這種元件使用電子狀態的開關代表1和0。目前這種技術的缺點是必須在液態氦的溫度下才能運作。

Koomey認為,目前的問題仍然是“我們能做得比歷史發展的趨勢更好嗎?不,只會更差,特別是如果我們無法解決漏電流問題。”

“性能和效率是密切相關的。我們仍然離理論極限尚遠。未來的發展方向是低功耗的系統,”他總結道。


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