功耗计算（精选7篇）
功耗计算 篇1
1 引言 (Introduction)
计算机系统能效问题正越来越受到重视, 工信部于2013年2月发布了《关于进一步加强通信业节能减排工作的指导意见》, 提出到2015年末, 新建大型云计算数据中心的功耗效率PUE (平均电能使用效率) 值达到1.5以下, 其重点就是构建绿色数据中心, 实现绿色计算。据统计数据显示, 到2015年, 我国数据中心总量已超过40万个, 年耗电量超过全社会用电量的1.5%, 达到1000多亿度, 其中大多数数据中心的PUE值普遍大于2.2, 能效比较差, 与国际先进水平相比有较大差距。电力已经成为数据中心份额最大的支出项, Google、亚马逊、华为等数据中心大户开始尝试将数据中心建在严寒地带, 以减少电力消耗。为了应对计算机系统的能耗日益突出的问题, 绿色计算作为一种以低功耗和环境友好为目标的新型计算模式也应运而生。
2 绿色计算简介 (Introduction to green computing)
按照维基百科的定义, 绿色计算是对环境负责的原则使用计算机及相关资源的行为。绿色计算涉及系统结构、系统软件及计算机网络[1], 它以保证计算系统的高效、可靠及提供普适化服务为前提, 以计算系统的低耗为目标, 通过构建功耗感知的计算系统、网络互联环境和计算服务体系, 为日益普适的个性化、多样化信息服务方式提供低耗支撑环境。绿色计算中的计算机及相关资源包括采用高效节能的中央处理器 (CPU) 、服务器和外围设备, 减少资源消耗, 妥善处理电子垃圾等。
从上述定义和涉及的内容可以看出, 绿色计算的核心目标是低功耗和环境友好。在此, 为了研究的方便, 我们定义绿色计算包括低功耗计算和环境友好计算。通过设计好用易用的程序界面和在线帮助, 机房装修、架构设计时注意选择无毒无害物质和材料, 通过屏蔽和隔音做到静音等, 一般比较容易实现环境友好计算, 困难的是降低功耗[2,3,4]。所以, 低功耗计算才是实现绿色计算的核心问题。
3 低功耗计算现状 (The status quo of low-power consumption computing)
美国国防部于2002年制定高性能计算系统计划, 首次提出以高效能作为新一代高性能计算机研制的目标, 着眼于并行系统由高性能向高效能转变[5]。此后很多机构开展了绿色计算的研究, 国内外著名的高性能计算解决方案提供机构如银河[3,4,5,6]、神威[7]、曙光[2,8]、IBM、Intel、HP、Google等在该领域进行了大量的研究, 主要集中于四个方向, 分别是芯片级节能技术、基础架构级节能技术、系统级节能技术和机房制冷节能技术。芯片级节能技术研究主要由传统芯片提供商进行, 通过CPU加工工艺和功耗控制等来降低功耗, 如Intel推出的至强系列处理器、动态功耗节点管理器等;基础架构级节能技术主要研究效率更高的散热方式和性能更好的冷却设备等, 如HPPARSEC体系结构、Cool Blue机柜系统等;系统级节能技术方面, IBM Power Executive允许用户同时在系统、机箱或机架层次上对数据中心的电耗和能耗进行有效分配。曾宇等基于曙光5000A设计并实现了高效能计算节点[5], 董晶等提出一种基于资源限制的高性能计算系统功耗管理, 通过控制节点的分配和功耗状态降低系统的能耗[6], 戴永涌等设计并实现了一种基于资源调度的集群节能系统, 有效降低集群系统空闲时的功耗, 降低神威高性能集群计算机系统的功耗[7], 林守林等提出了一种基于CPU利用率的服务器功率控制策略, 可根据负载情况实时调整服务器功率, 减少电力消耗[8]。
总的来说, 上述功耗控制研究工作主要是针对不同的系统对象从不同的功耗控制角度开展的, 理论上还缺乏统一系统功率计算模型、负载评价模型和一体化节点、机柜与机房散热模型的系统规范和管理, 取得的实际效果也是局部和有限的。
4 数据中心实现低功耗计算的途径 (The construction approaches of low-power consumption computing in the data center)
数据中心普遍采用了计算能力更强的大规模集群计算机系统, 安装在专业机房, 配套精密空调和UPS供电设备。低功耗计算是实现绿色计算的核心问题。数据中心的能效核心问题已转化为集群计算机系统的功耗控制问题。集群计算机系统的能效比提高了, 整个数据中心的功耗也就降低了[9]。通常, 数据中心所使用的集群计算机系统是由成百上千的节点或服务器组成, 这些节点或服务器是功耗控制的重点对象。
4.1 思路
数据中心要实现绿色计算, 就要针对集群计算机系统结构特点和应用负载特点, 建立功率计算模型与负载评价模型, 全面监控各部件的功率、负载的水平与波动情况, 建立系统资源池与功耗池, 分析任务的时间与空间分布, 根据任务的重要性与紧迫性为其调度相匹配的计算资源、功率与功耗, 通过对各部件功率的控制实现对系统功耗的控制, 在保证满足应用需求的前提下实现最高的资源利用率, 减少电力资源的浪费, 节省功耗。建立基于业务负载的热量追踪模型, 对热量的产生进行预测和监控, 建立数据中心一体化节点、机柜与机房散热模型, 对机房温度分布进行计算与监控, 根据数据中心业务负载、温度、热量的分布情况调整供电与冷却设备的工作状态, 通过主动式控制方式, 以业务负载为核心, 以系统功耗为纽带, 实现系统与数据中心基础设施的联动, 保证数据中心机房的电力资源得到充分利用, 减少能量的消耗和浪费, 大大降低数据中心的功耗。
4.2 系统框架
集群计算机系统各节点由于作业任的不同和作业调度的关系, 节点的忙闲程度不一样, 忙的节点耗电多发热量大, 空闲的节点反之, 从而造成整个集群计算机系统功耗分布不平衡, 存在明显的冷热不均匀的现象, 是典型的非稳态热力学系统, 而现有机房的散热设计一般是基于热力学稳态系统进行的, 造成了大量的能源浪费, 所以集群计算机系统功耗控制必须和机房环境进行联动监控和分级管理, 图1给出集群计算机系统机房功耗控制系统框架示意图, 各级主要功能详见下面介绍。
(1) 集群计算机节点是功耗控制的基本单位, 本层负责对节点的负载与功耗情况进行监控和统计, 将处理结果上传至集群层;同时, 接受集群层的指令, 根据具体的策略通过调整CPU的频率或状态, 对节点的功耗水平进行调整。
(2) 集群级负责从应用的角度衡量当前计算机设备的功耗与资源利用水平, 根据应用的需求 (运行时间、优先级等) 与对负载水平的预测判断当前节能策略是否正确, 及时进行调整。
(3) 系统级根据当前集群的功耗水平计算所需的电力供应与产生的热量, 对UPS的交直流转换效率和空调的制冷效率进行推算, 根据对负载变换与温度变化的预测制定合理的供电与制冷策略, 提升数据中心的总能源利用率。
4.3 主要研究内容
(1) 研究建立数据中心的功率计算模型
功率计算模型实现对部件、节点、系统功率与功耗的精确统计, 这是进行功耗管理的基础。模型包含节点主要的功率较高的部件, 例如CPU、内存、硬盘等;模型首先能准确的统计节点的实时功率, 在此基础上增加存储和交换设备功率, 从而获得系统的功率。
(2) 研究系统功率控制方式与算法
实现细粒度的功率控制方式, 快速、准确地对系统功耗进行调整。各部件和不同节点的功耗特点是不同的, 应该据此给出合适的功率控制算法与控制接口, 需要兼顾准确性与响应速度。
(3) 建立系统的资源池和功耗池, 实现基于重要性与紧迫性的调度模型
通过构建资源池和功耗池, 实现对计算资源、任务、供电的一体化监控, 判断系统的资源使用情况与功耗水平是否匹配, 快速定位需要调整电源状态的部分节点, 基于任务的重要性与紧迫性选择相应的用电模式。
(4) 对数据中心系统的能源使用效率进行分析
在系统的运行过程中记录并保存了负载和功耗的信息, 分析系统提供的计算能力、实际使用的计算能力、供电水平, 计算系统的电力资源使用效率。
(5) 研究建立数据中心节点、机柜、机房的统一散热模型
目前, 冷却设备功耗一般占机房总功耗的30%以上, 当前数据中心普遍采用的被动式弥散冷却方式效率很低, 浪费了大量的制冷量。采用经典公式与有限元方式相结合的算法[19], 建立机房的一体化准静态散热模型可以快速准确得到机房的功率和温度分布, 同时对温度变化进行预测, 采用主动式精确制冷方式, 节省大量的冷却设备功耗, 避免机房出现热点, 提升系统的稳定性。
(6) 研究低耗作业调度系统
通过对作业的运行情况进行统计分析, 判断作业运行的特点与规律, 进而形成作业调度策略, 通过对作业队列的实时监控, 动态调整调度策略中的各项参数, 保证作业运行在能效比最好的节点上。
4.4 工作流程
集群低功耗控制系统软件由数据采集模块、能效分析模块、策略设置模块、功耗控制模块、作业调度模块和管理与日志记录模块组成。系统工作流程如图2所示。
通过数据采集模块采集的各项数据确定结点当前的工作状态 (运行/关机) , 以及负载水平, 结合结点的硬件配置即可确定结点的功耗, 通过预先建立的结点热力学模型和环境温度可以确定结点所产生的热量和温度变化趋势。结点在数据中心的物理位置和数据中心的空间结构 (长、宽、高) , 以及空调的进、出风口位置作为环境参数输入在资源池管理模块中, 基于这些参数构建数据中心的热力学模型。通过结点温度变化与数据中心热力学模型计算出所需的制冷量, 对空调进行相应调整。与此同时, 根据用户在策略设置模块中设置的策略、能效分析结果, 通过作业调度模块动态的调整各结点的作业分布, 从源头控制各结点的负载水平和温度变化。
5 结论 (Conclusion)
绿色计算是在建设绿色GDP和节约型社会的倡导下提出的, 用绿色科技创造社会价值, 正在成为当今社会的一种共识, 节能、环保和节约已成为整个计算机产业的重要发展趋势, 用户对健康化和节能化的理念要求也逐渐成为计算机产品更新换代的新标准。绿色计算作为一种新的计算模式与技术, 涉及的领域范围较广。本文重点对绿色计算的核心低功耗计算在数据中心的实现做了一个浅显分析, 希望能对建设或改造数据中心有所参考。
参考文献
[1]郭兵, 沈艳, 邵子立.绿色计算的重定义与若干探讨[J].计算机学报, 2009, 32 (12) :2311-2319.
[2]Meng L S, et al.Low Power Consumption Solutions for Mobile Instant Messaging[J].IEEE Transactions on Mobile Computing, 2012, 11 (6) :896-904.
[3]Hosseini E S, Esmaeelzadeh V, Eslami M.A Hierarchical SubChromosome Genetic Algorithm (Hsc-ga) to Optimize Power Consumption and Data Communications Reliability in Wireless Sensor Networks[J].Wireless Personal Communications, 2015, 80 (4) :1579-1605.
[4]Wang C, et al.Low-Power Technologies for Wearable Telecare and Telehealth Systems:A review[J].Biomedical Engineering Letters, 2015, 5 (1) :1-9.
[5]曾宇.曙光5000A高效能计算节点的设计与实现[J].计算机工程, 2009, 25 (3) :17-22.
[6]董晶.高性能并行计算系统中低功耗资源管理的设计与研究[M].国防科学技术大学, 2009.
[7]戴永涌, 杨树军.基于资源调度的集群节能系统的设计与实现[J].计算机工程与科学, 2009, 31 (A1) :176-178.
[8]林守林, 等.一种基于CPU利用率的功率控制策略的研究与实现[J].计算机工程与科学, 2009, 31 (A1) :282-285.
[9]安东升, 李麟, 白杨.基于CFD模型的数据中心集中式模型研究[J].信息技术与标准化, 2011 (8) :66-70.
回首功耗路 篇2
如今桌面版的酷睿2双核性能、能效都很高，从奔腾4到新的酷睿2，功耗到底降低了多少?下文将给出一个明确的答复。
评测方法
目前对于硬件功耗的评测，大部分做法都是测出组件与系统的最低、最高耗电需求，这类评测只能反映2个极端状态下的耗电情况。如果你要正确测试CPU功耗，应该考虑到效能因素，因为较快的系统即使功耗较高，它与较慢的系统相比，执行时间也会短许多。例如酷睿2双核增强了性能，在视频编码情况下，奔腾4如果需要1h，那么酷睿2双核只需30min就完成了。
为此我们统一以奔腾4630(3.0GHz)为效能基准，然后测试各款处理器的功耗情况，测试方法是运行SYSmark 2007软件给出相关的数据，它可以模拟典型电脑的日常使用方式。方便你测出各环境下的CPU功耗。
设定3.0GHz测试
目前许多Socket775主板都支持旧款奔腾4处理器，因此我们的评测系统使用了Socket 775的华硕P5E3X38主板和P5E3 Deluxe主板，这2种主板可以安装不同类型的处理器，然后分别测试其耗电情况。 首先我们选择3.0GHz作为CPU通用频率，测试前建议你将CPU都设定到3.0GHz，因为3.0GHz适用于FSBl333的酷睿2与FSB800的奔腾，是所有处理器都能调整成功的通用频率速度。
英特尔近年来处理器发展可以分成4个等级：奔腾+500和600系列、奔腾D800系列、酷睿z双核和酷睿2Extreme。为了测试每个等级的功耗，我们在每个等级中挑选代表性的产品。
奔腾4630
我们选择3.0GHz的奔腾4.630作为测试对象。在闲置与最高耗电量测试中，奔腾4630得到的数据较低，紧接在酷睿2双核E6850之后，在4类处理器中排名第2。执行一次完整的SYSmark2007测试，630需要花费1h40rain，耗电量达155Wh；而功耗最低的酷睿2双核E6850则需要lhlOmin，耗电量也只有132Wh。
为了便于比较，我们又对奔腾4660进行了测试，首先将其频率降低为3.0GHz。对这种CPU功耗的测试结果也表明，奔腾4630闲置与最高耗电量都较低，仅居于酷睿2双核116850之后。
奔腾D双核830
奔腾D800系列是在单芯片上集成了2颗奔腾4600，我们选择3.0GHz的奔腾D830。测试结果表明，奔腾D830的性能要比奔腾4630好一些，但是其耗电却是4类处理器中最高的，耗电最低的是酷睿2双核E6850是106Wh，而奔腾D800是215Wh，两者相比差距较大。
为了对比，我们又用一颗奔腾D840(3.2GHz)进行测试，先将它设定为3.0GHz，功耗测试结果也表明，它与奔腾D830的耗电情况类似，在4类处理器中是最高的。
酷睿2双核E6850
2006年英特尔在桌面领域推出了双核顶级型号酷睿2双核E6850。它具备2颗处理核心，基于酷睿微架构。
我们测试了3.0GHz的酷睿2双核E6850处理器功耗，在启动Enhanced SpeedStep情况下，酷睿2闲置时会将倍频降为6x，如果使用FSBl333接口速度，频率速度就会降为2.0GHz。在闲置或最大情况下，我们对酷睿2双核E6850都进行了功耗测试，数据见下图6。完成一次完整的SYSmark 2007测试，酷睿2双核E6850需要lhlomin，比相同频率的双核处理器功耗低很多，耗电只有106Wh，而酷睿2 Extreme QX6850也只有131Wh。
酷睿2 ExtremeQX6850
酷睿2 Extreme Qx6850是强大的四核处理器，它是由2个酷睿2双核组成的。
测试结果表明，这款四核CPU性能非常高，大幅超越了酷睿2双核，不过它的耗电却较高，系统闲置耗电94w、最大耗电195w，仅次于奔腾D830，在4类处理器总功耗测试中排名第2。
测试结果
我们运行SYSmark 2007对4类处理器的功耗进行的测试表明，酷睿2的系统空载功耗为77.4W，满载功耗为132W，是4类处理器中最低的(图1)。
接下来我们又测试了SYSmark 2007下的平均功耗，结果表明，酷睿2为90，3W，也是最低(图2)，酷睿2Extreme QX68So的平均功耗有所改善，但是奔腾D830平均功耗最高，达到139.9W。
经过测试我们发现，从奔腾4到酷睿2处理器，CPU的性能、能效提升幅度都很大。完成整个SYSmark 2007测试，酷睿2处理器只需要lminlos，而且与其他处理器相比，其耗电也只有106Wh(图3)，耗电可以说是最低的。如果以酷睿2双核E6860取代奔腾D830，所需的耗电会从216Wh降低到106Wh，即减少了一半。
功耗计算 篇3
下一代“Haswell”微架构的第四代智能英特尔酷睿处理器家族, 在平台闲置功耗降低20倍以上的同时, 提供卓越的性能和迅捷的响应速度。他还表示, 从2013年开始, 英特尔在产品路线图中增加了一条产品线, 纳入基于相同微架构而功耗更低的处理器。这些新产品都突出体现了英特尔在移动计算领域的努力方向:积极降低功耗、以延长电池使用时间, 构建全新的、移动性更强的设计, 同时不断增强处理器、显卡和媒体性能。
“第四代智能英特尔酷睿处理器家族和我们全新的低功耗处理器, 将开启空前的移动计算创新时代。”浦大地表示, “在保持英特尔处理器卓越性能的同时, 我们将进一步降低功耗。在2001年, 我们曾将开发重点进行转变, 不再仅局限于单纯的处理器速度, 而这一次在战略意义上, 是同样重要的。”
为了进一步推进移动计算领域的创新, 英特尔将推出基于“Haswell”微架构的全新低功耗芯片, 这将拓展公司的移动产品路线图。芯片的初始运行功耗约为10瓦, 支持更纤薄、更轻便的超极本、变形超极本和平板电脑设计, 且性能更强、电池使用时间更长。
浦大地还介绍了基于英特尔技术的Windows8设备所具有的优势, 强调基于英特尔凌动和酷睿处理器的平板电脑和变形超极本将可提供各种全新特性, 如增强的媒体功能、为企业级垂直市场解决方案构建的安全性, 以及针对为英特尔处理器编写的各种应用的支持, 从而持续获得IT部门和消费者对软件的投资。浦大地表示, “我们相信, 英特尔架构上的Windows 8将在各计算平台间, 提供最佳的体验、性能和兼容性”。
在谈及计算体验时, 浦大地表示, 个人计算体验正在向基于感知计算的体验转变。在感知计算中, 设备将呈现出类似于人的感官, 以感知用户的意愿。英特尔将持续致力于把这些功能融入英特尔平台。
低功耗也独显 篇4
外表东西合璧
Gateway品牌被Acer收购已经有两年了品牌仍然保持独立但在技术上应该有了比较深入的交流。例如这款EC3803e在外观上就和Acer的Aapire系列笔记本有些共同的元素——略带弧形的轮廓，可关闭的触摸板和相同的节能图标等。不过EC3803c也保留了不少Gateway独有的东西，例如长条形的一体式触摸板按键和屏幕上盖醒目的Gateway标志。另外，EC3803c的屏幕上盖略微鼓起，有点贝壳的感觉，很有特色。
由于采用了耗电量较低的CULV平台，EC3803c还算得上是轻薄的，不过没有内置光驱就有点可惜了。虽然不常用，但需要的时候就会很管用了。它的键盘比较传统，没有采用新颖的巧克力或悬浮式，按下去的回馈感明显，但键程很短。立体声扬声器位于键盘前方，声场宽广，屏幕的最高亮度不算高，色彩表现则十分不错。
内部配置合理
Gateway EC3803c的处理器是超低电压版的英特尔酷睿2单核U3500。虽然主频仅有1.4GHz，不过它配备了较大容量的二级缓存，并支持64位计算等高级功能，搭配的芯片组也是和迅驰2平台一样的GM45，所以在各方面的性能上都比主频更高的Atom平台强不少。用它运行Windows Vista和Windows 7系统，感觉都很流畅，3D桌面和透明效果也支持得很好，应付日常的网络或办公应用完全足够了。只是在运行一些大型软件时会感觉吃力。
配备可切换的双显卡是EC3803c最大的特色通过桌面右键菜单就可以直接在Intel X4500HD集成显卡和ATI Mobility Radeon HD 4330独立显卡中自由切换，而不用重启电脑。此外在拔掉电源使用电池供电时，也会自动切换为集成显卡以降低功耗。其甲的Mobilify Radeon HD 4330独立显卡虽然属于入门级型号但游戏性能比lntel集成显卡还是要强很多的，玩点《魔兽争霸3》之类的经典游戏完全可以保证画面流畅。虽然U3500处理器不能流畅播放1080p高清视频，但EC3803c的两块显卡均具有辅助高清解码的功能，这一点基本不用担心。
功耗低如上网本
功耗计算 篇5
功耗对于集成电路的进一步发展起着至关重要的作用,尤其对于集成电路更加精密化的设计来说,如果功耗问题难以解决,那么对于更精密更微小的集成电路的研制是个非常大的阻碍。因此,对集成电路的功耗估计和降低电路功耗问题已经在各个领域中得以开展。本文在介绍了集成电路的功率损耗研究背景下,首先对低功耗技术的应用进行了诠释,进而介绍了集成电路总功耗的估计方法,最后介绍了在集成电路上进行低功耗设计的方法。
1 低功耗技术综述
系统中的功率损耗大多是由于集成电路的的工作时的功率损耗,它主要包括集成电路的供电电压,工作频率,电路性能,外部环境,接口技术等。
系统的功率效率取决于软、硬件设计决策与应用系统工作性能的匹配程度。低功耗机制并不只是针对电池供电设备的设计约束条件,它也是许多高性能有线系统的一个主要考虑因素。在嵌入式设计中使用的处理器的功耗可能只占系统总功耗预算的较小一部分,但你对系统和软件体系结构的抉择可能会对总的处理性能、功率消耗和电磁干扰(EMI)性能产生重大影响。对电池供电的系统而言,较低的总功耗可能意味着你的设计得益于更长的电池寿命,亦即能使你选用较小的电池来减少系统的体积、重量和成本。
对一些系统来说,通过降低功率的损耗可以减少系统对散热的过度依赖,这种系统通常自身不会发出很多的热量。这种系统不仅放出的热量少而且发出的噪音也会很少,这是由于这些系统对风扇散热的需求较少,因此其风扇的功率相对较小,从而使得不会发生大风扇造成过度噪音的状况。这些系统在功率达到最高点的时候功率损耗小,能够承受高功率对器件承受力的影响,从而增强系统的性能。
集成电路的功耗可以分为静态功耗和动态功耗。静态功耗是指在集成电路不工作时发生的功率损耗,尽管电路在静止状态下产生功率损耗较小,但是由于系统中电路数量庞大因此不容忽视。尤其对于长时间处于不工作状态的系统中,其静态功耗的积累变得不可忽视。静态功耗的原因是三极管PN结反向偏置产生的漏电流,在PN结上产生功率的损耗。虽然漏电流很小,但是由于集成电路中大量的反向偏置产生的漏电流的累积,有可能造成器件的发热。降低漏电流大小的方法是完善器件的工艺处理以及降低器件的供电电压,例如现在大多数器件都采用3.3V以取代传统5V供电电压。这些漏电流广泛存在于系统的核心芯片以及外围电路中,对核心芯片的主要影响是造成芯片的过度发热,可能造成工作状态的错误,对外围电路的功率损耗则会造成系统整体上的功率损耗,造成能源的浪费。动态功耗指的是电路在工作过程中产生的信号的变化引起,动态功耗与系统的供电电压,频率等有关。在长时间处于运行中的系统中动态功耗占主要部分,静态功耗可以忽略,动态功耗可以用P=CFU来进行粗略的计算,这其中C是开关电容,F为开关频率,U是电源电压。动态电容在系统中是由系统自身所影响,主要由系统的生产工艺水平造成的,当系统硬件部分已经成型后,基本不可能发生根本性的变化。而电源电压对动态功耗的影响较大,随着电源电压的提升,动态功耗呈现出直线型的提高。并且随着系统开关频率的提高,在单位时间内工作次数的增加也会造成系统动态功耗的提高。
2 集成电路功耗估计
集成电路功耗估计可以用下式表示 :
( 3-1)
其中,P为集成电路总功率的损耗,C是系统的节点电容, UDD为集成电路系统的供电电压,f为系统的工作频率,
是系统状态切换的参数,即单位周期内系统状态变化的平均次数,QSC 为每次转换过程中瞬间发生短路时电流中含有电荷的数量,Ileak 为系统开关管的漏电电流。
在公式 (3-1) 中,代表电路的工作状态发生变化时产生的功率损耗,也就是节点电容在状态变化时对电流中电荷的充放电造成的功率消耗的大小,尤其在工作状态变化频繁的工作电路中,这种由于工作状态变化产生的功率损耗占了主要的部分 ; 指的是系统发生短路时产生的功率损耗,这是由于系统发生短时的二极管或者三极管PN结瞬间导通产生的损耗,尽管这部分损耗发生的时间很短暂,但是由于短路电流很大,因此此损耗也不可忽视。指的是系统泄漏电流造成的损耗,也就是系统的静态损耗,在系统工艺水平基本固定的前提下,考虑降低系统的供电电压,尤其在长时间处在静态状态下的系统中,这种静态损耗不可忽视。由上面的分析我们可以知道,若是想降低集成电路的动态损耗,一方面可以通过降低节点电容和系统供电电压的大小、并且在不需要特别精密的计算的前提下降低系统的工作频率,另一方面可以通过降低系统节点的阈值,从而在静止状态下降低系统的静态损耗,尤其是系统泄漏电流无法很好预测和控制的前提下。通过对这些参数进行改善,可以有效地控制集成电路的功率损耗,因此低功耗集成电路的设计的根本目的是对这些参数进行有效的设计。
3 集成电路低功耗设计的策略
集成电路低功耗的设计是一个综合性的问题,需要将系统分成多个层次,大的方面分为软件和硬件层,在硬件层又可以分为多个层次,进而在系统各个层次中通过使用不同的策略降低损耗,并且各个层之间通过配合从整体上降低系统的功率损耗,从而达到提升系统性能的特点。下面介绍一些基本的低功耗设计的方式 :
(1) 尽可能的降低系统芯片或者电路的面积和性能,通过系统指令的并行运行以及模糊控制从而在软件上对性能做出弥补,从而降低由于面积过大造成的系统功率损耗 ;
(2) 在系统时钟上,关闭不使用的模块时钟,这些不参与系统正常运行的模块的时钟应该在系统初始化的时候尽可能的关闭 ;
(3) 由于可编程逻辑电路在功率损耗上要远远大于系统中专用的模块电路,因此尽可能的使用专用的电路进行功能的实现 ;
(4) 对软件算法进行优化,尤其对循环较多的算法进行优化可以降低对系统硬件的依赖 ;
(5) 开发新的集成电路产品工艺,从根本上解决由于工艺设计上的缺陷导致的电路的损耗过大。
在系统的工艺级别上,我们通过降低集成电路的体积,不仅能够对使用者来说有着更好的体验,更为系统的功耗降低加大了可能,但是这对系统实现其本来的功能提出了更高的要求。对系统集成度的增加使得系统中芯片数量减少或者数量降低,从而达到降低功耗的目的。与此同时,系统集成度的提高使得系统中线路损耗降低,进一步减少了总功耗。上述两个方法是在系统集成度提高的前提下进行的。然而对于系统的供电电压的降低仍然能够有效地降低系统功耗,然而这种降低系统工作电压的方式需要进一步研制出体积更小的电平转换电路。除了系统工作电压外,二极管阈值电压的改进也是一个新的目标。到现在,大多数集成电路的阈值电压都设定在0.7V至1.0V之间,这种高阈值的电源造成了开启功率损耗的增加。在5V的工作场合中,这种高阈值电压可以降低漏电流的消耗,从而降低静态功耗,而且在抗噪声干扰上有着独特的优势。然而在3.3V以及更低电压的工作场合中,0.7V显然已经造成了过多的功率损耗,并且在抗噪声干扰方面已经超过了限制,目前对降低二极管阈值电压的研究已经有许多研究成果。
4结论
低功耗蓝牙系统分析 篇6
1低功耗蓝牙设计的关键因素
首先,ISM频段,2.4GHz频段的无线电传播性差,能被许多物体,尤其是水吸收。但是其优势是在全世界范围内能免许可、自由的使用。当然要遵循相关的规定,限制设备输出能量和范围。与高昂的许可频谱费用相比,选择ISM频段能降低成本。
其次,IP许可,当Wibree技术成熟后,要将它并入已有的无线标准工作组,他们选择了蓝牙技术联盟,与其它采取FRAND政策的兴趣小组或联盟相比,蓝牙技术联盟使得蓝牙设备的专利许可成本显著降低,从而更节省成本。
2低功耗蓝牙的体系结构
低功耗蓝牙的体系结构分为3个基本部分:控制器、主机和应用程序(表1)。控制器能够发送和接受无线电信号, 并翻译成携带信息的数据包。主机管理两台或多台设备之间如何进行通讯以及如何利用无线电同时提供几种不同的服务。应用程序则使用软件栈,进而是控制器来实现具体功能。 在主机内包含三3个协议:逻辑链路控制和适配协议、属性协议和安全管理器协议,此外还有通用性规范、通用访问规范和模式。控制器由同时包含了数字和模拟部分射频器件和负责收发数据包的硬件组成。控制器与外界通过天线相连, 与主机通过控制接口(HCI)相连。主机包含复用层、协议和用来实现许多功能的过程。主机构建于主机控制器接口的上层部分,之上为逻辑链路控制和适配协议,一个复用层。在他上面是系统的两个基本构建块:安全管理器以及属性协议。 控制器和主机之上是应用层。定义了3种类型:特性、服务和规范。构建在通用属性规范上。
3蓝牙的射频技术
蓝牙设备工作于ISM频段,通常是在2.402 ~ 2.48 GHz之间的79个信道上运行。它使用称为0.5 BT高斯频移键控(GFSK)的数字频率调制技术实现彼此间的通信。也就是说把载波上移157 k Hz代表“1”,下移157 k Hz代表“0”, 速率为100万符号(或比特)/ 秒,然后用“0.5”将数据滤波器的-3 d B带宽设定在500 k Hz,这样可以限制射频占用的频谱。
4蓝牙加密模块设计
为了确保数据的机密性,要对数据进行加密处理。加密数据包含一个消息完整性校验值,表明该数据包经过认证, 认证使用共享密钥为已加密的数据计算签名,消息的接收方能够确定数据包来自一个可靠的设备;加密数据包还包括一个数据包计数器,为了防止重放攻击。 低功耗蓝牙加密基于一个加密引擎AES,包含一个输入128位的密钥值和一个输出128位的纯文本数据块。用于不同的纯文本块进行加密杜绝了使用不同的密钥为每个块加密,更加有效。加密净荷数据要先将数据分成16字节的块,对每个块生成一个密文比特流,在与文本执行异或运算。遵循一个标准,定义了一种加密认证的方法——计数器密码区块链信息认证码模式。
蓝牙安全机制改进方案,现有蓝牙安全存在两个主要问题:一个是单元密钥的使用问题,128位的密钥长度加密有时不用很复杂的方法破解;另一个是蓝牙单元提供的个人识别码及大多数的PIN码是由4位十进制数组成,采用穷举法很容易破解。
解决的方法除了增加PIN码的长度外,关键是要采用更加安全的加密算法。如使用DES代替E0序列加密算法。DE是一种块加密算法,针对一个一个的数据进行。原始信息被分为64位长度的固定数据块,利用56位的加密密钥通过换算和组合的方式生成64位的加密信息。DES块密码是高度随机和非线性的,其产生的密文与明文和密钥的每一位都相关。 DES的可用加密密钥数量非常大,应用于每一位明文信息的密钥都是从中随机产生的。采用DES加密算法的蓝牙技术可以应用到安全性较高的场合中,比如电子经融交易等等电子类产品。
摘要：低功耗蓝牙是一种全新的功耗最低的无线技术。当前社会,智能家居市场有很大发展潜力。而低功耗蓝牙技术可以使得智能家居的功耗更低。同时,低功耗蓝牙可以把智能化的家具系统通过互联网技术与手机相连接,使低功耗蓝牙技术可以得到具体推广。而低功耗蓝牙与经典蓝牙的最大区别就在于功耗低,低功耗蓝牙适应了当前节约资源保护环境的发展趋势。
处理器功耗对对碰 篇7
在用户开始关注能耗时，英特尔和AMD两大桌面处理器厂商也意识到相同的问题。尤其是英特尔，在摆脱Pentium 4的阴影之后，其设计的处理器如同脱胎换骨，不仅能力了得，功耗也比以前更低。另外，加上65nm工艺的引入，处理器的功耗更是得到了大幅度下降。当然，由于二级缓存的增加，减损了因为工艺提高带来的好处，处理器功耗的下降速度并没有工艺提高的速度那么快。
实际上，处理器的能耗大部分都是消耗在二级缓存上，而且它们占据的晶体管数量也要比核心大得多。就以我们此次测试的AMD Athlon 64 X24800+为例，尽管二级缓存只有1MB，但已经消耗了5000万个晶体管。而且这还不是全部，这些晶体管需要持续的电流维系，如果每个晶体管需要的电流为1μA，他们消耗的总电力也就需要达到50A。
当然，这样的例子有些夸张，毕竟现在的晶体管电流已经小于1μA。不过我们关注的是，在英特尔65nm工艺的产品上市一年多后，AMD 65nm工艺的产品才上市，加上去年年底AMD的DIY缺货事件，这些都使得AMD处在不利的局面。那么，Athlon 64 X2 4800+的推出能否帮助AMD改变这种局面。
重新看重功耗
在过去的两年中，因为设计的突破，取得的优势让AMD非常自豪，尤其是HyperTransport的总线结构，直到目前为止依然是AMD的杀手级利器。但制造工艺上的缺失使得AMD并没能巩固本来到手的优势，通过工艺的升级，英特尔很自然地把AMD甩开了。
尤其是刚刚过去的一年，英特尔为了把以前的Pentium 4完全甩掉，做出了更多的努力。从技术上讲，AMD除了能够提供“真”双核或者是四核系统外，并没有太特别的创新，而英特尔的四核即便被归为“假”四核，由于提前推出，也在市场上获得了相当不错的认可，实际测试成绩也很不错。
从最近两年的价格战来看，英特尔和AMD都很“受伤”。这不，季末年初，AMD已经酝酿处理器涨价了。
不管怎么说，两家公司重新把能耗看得那么重无疑是一个天大的进步。工程师们早先就已经提出，芯片的功耗太大，不仅使得能耗增加，最重要和最直接的影响是使得散热模块变得更大，且让散热噪音大大增加，这已经影响到了用户对电脑的使用。
从测试的结果来看，Athlon 64 X2 4800+的频率在2.5GHz，待机时的系统功耗也在96W左右，这是比较令人吃惊的。我们为此准备的是6800GT显卡，当然为了达到如此的功耗水平，我们还特意找了一个海韵电子的效率超过80％的电源。
渲染的时候，功耗会上涨到148W，而显卡再加入的话，总功耗在180W左右(以Dell四核工作站Precision 490进行对比测试，其整机功耗在140W～170W之间)。当然，这个时候处理器基本上是不工作的。这是系统的总功耗，从工程师的判断来看，实测处理器功耗不会超过AMD标称的65W，这倒是比较令人满意的。
性能到底如何
功耗降了许多，散热器也轻松很多，整体上也不热。而对于喜欢安静的用户来说，散热风扇速度可以降低很多，无疑是一种福音。
AMD为了降低处理器功耗，并不是没有损失。与英特尔的处理器相比，它的缓存小了不少，功耗下降一定程度也就可以理解了。
对于一般的应用，其实并不需要那么多的缓存。AMD的聪明之处就在于此，它看到在通常的应用中，二级缓存到了一定的程度已经对系统的整体性能影响不太大了。从目前的软件结构说，超过8MB的缓存就很难平衡成本和性能。 性能测试中，BusinessWinstone得分为37.2，Maya6，5中CPU得分为4.60，I/O得分为2.55。Athlon 64 X2 4800+的计算能力跟同频率的英特尔处理器相差不大，从渲染看，也基本相当。主要是因为渲染的图片都不大，对缓存的要求没有那么高了，AMD64架构应付现在的一些传统计算没有太大问题，不过明显觉得有些老态。