Electrónica de bajo consumo

Los primeros intentos por reducir el consumo de energía de los dispositivos electrónicos estuvieron relacionados con el desarrollo del reloj de pulsera . Los relojes electrónicos requieren electricidad como fuente de energía, al igual que algunos movimientos mecánicos e híbridos electromecánicos. Generalmente, la electricidad se suministra mediante una batería reemplazable . El primer uso de la energía eléctrica en los relojes fue como sustituto del muelle real , eliminando la necesidad de darles cuerda. El primer reloj eléctrico, el Hamilton Electric 500 , fue lanzado en 1957 por la Hamilton Watch Company de Lancaster, Pensilvania .

Los primeros relojes de pulsera de cuarzo se fabricaron en 1967, utilizando manecillas analógicas para mostrar la hora. ^{[ 2 ]}

Las pilas de reloj (o, más precisamente, celdas, ya que una pila se compone de varias) están diseñadas específicamente para este fin. Son muy pequeñas y proporcionan pequeñas cantidades de energía de forma continua durante periodos muy prolongados (varios años o más). En algunos casos, cambiar la pila requiere acudir a un taller de reparación de relojes o a un distribuidor de relojes. Algunos relojes solares utilizan pilas recargables .

El primer reloj electrónico digital fue un prototipo Pulsar LED producido en 1970. ^{[ 3 ]} Los relojes LED digitales eran muy caros y estaban fuera del alcance del consumidor común hasta 1975, cuando Texas Instruments comenzó a producir en masa relojes LED dentro de una caja de plástico.

La mayoría de los relojes con pantallas LED requerían que el usuario presionara un botón para ver la hora durante unos segundos, ya que los LED consumían tanta energía que no podían funcionar de forma continua. Los relojes con pantallas LED fueron populares durante algunos años, pero pronto fueron reemplazados por las pantallas de cristal líquido (LCD), que consumían menos batería y eran mucho más cómodas de usar, con la pantalla siempre visible y sin necesidad de presionar un botón para ver la hora. Solo en la oscuridad, había que presionar un botón para iluminar la pantalla con una pequeña bombilla, que posteriormente se convirtió en LED. ^{[ 4 ]}

La mayoría de los relojes electrónicos actuales utilizan osciladores de cuarzo de  32,768 kHz . ^{[ 2 ]}

En 2013, los procesadores diseñados específicamente para relojes de pulsera eran los que menos energía consumían en los fabricantes actuales; a menudo se trataba de procesadores de 4 bits y 32,768  kHz.

Cuando se desarrollaron las primeras computadoras personales , el consumo de energía no era un problema. Sin embargo, con el desarrollo de las computadoras portátiles , la necesidad de alimentarlas con una batería obligó a buscar un equilibrio entre la potencia de procesamiento y el consumo de energía. Originalmente, la mayoría de los procesadores funcionaban con 5 voltios tanto en el núcleo como en los circuitos de entrada/salida, como en el Intel 8088 utilizado en la primera Compaq Portable . Posteriormente, se redujo a 3,5, 3,3 y 2,5 voltios para disminuir el consumo de energía. Por ejemplo, el voltaje del núcleo del Pentium P5 disminuyó de 5 V en 1993 a 2,5 V en 1997.

Con un voltaje más bajo, se reduce el consumo total de energía, lo que hace que un sistema sea menos costoso de operar con cualquier tecnología de batería existente y pueda funcionar durante más tiempo. Esto es crucial para los sistemas portátiles o móviles. El énfasis en el funcionamiento con batería ha impulsado muchos de los avances en la reducción del voltaje del procesador, ya que esto tiene un efecto significativo en la duración de la batería. El segundo beneficio importante es que con un voltaje menor y, por lo tanto, un menor consumo de energía, se producirá menos calor. Los procesadores que funcionan a menor temperatura se pueden integrar en sistemas más compactos y durarán más. El tercer beneficio importante es que un procesador que funciona a menor temperatura con menor energía puede funcionar más rápido. La reducción del voltaje ha sido uno de los factores clave para permitir que la frecuencia de reloj de los procesadores aumente cada vez más. ^{[ 5 ]}

La densidad y la velocidad de los elementos de computación de circuitos integrados han aumentado exponencialmente durante varias décadas, siguiendo la tendencia descrita por la Ley de Moore . Si bien se acepta generalmente que esta tendencia de mejora exponencial llegará a su fin, no está claro cuán densos y rápidos serán los circuitos integrados cuando se alcance ese punto. Se han demostrado dispositivos funcionales fabricados con una longitud de canal de transistor MOSFET de 6,3 nanómetros utilizando materiales semiconductores convencionales, y se han construido dispositivos que utilizan nanotubos de carbono como compuertas MOSFET, lo que da una longitud de canal de aproximadamente un nanómetro . La densidad y la potencia de cálculo de los circuitos integrados están limitadas principalmente por las consideraciones de disipación de potencia.

El consumo energético total de un ordenador personal nuevo ha ido en aumento a un ritmo de aproximadamente el 22 % anual. ^{[ 6 ]} Este incremento en el consumo se produce a pesar de que la energía consumida por una única puerta lógica CMOS para cambiar su estado ha disminuido exponencialmente, de acuerdo con la ley de Moore, gracias a la miniaturización. ^{[ 6 ]}

Un chip de circuito integrado contiene numerosas cargas capacitivas , formadas tanto intencionalmente (como la capacitancia puerta-canal) como no intencionalmente (entre conductores cercanos pero no conectados eléctricamente). Al cambiar el estado del circuito, se produce un cambio en la tensión a través de estas capacitancias parásitas , lo que implica un cambio en la cantidad de energía almacenada. A medida que las cargas capacitivas se cargan y descargan a través de dispositivos resistivos , se disipa en forma de calor una cantidad de energía comparable a la almacenada en el condensador.

${\displaystyle E_{\mathrm {almacenado} }={1 \over 2}CU^{2}}$

El efecto de la disipación de calor en el cambio de estado es limitar la cantidad de cálculos que se pueden realizar dentro de un presupuesto de energía determinado. Si bien la miniaturización de los dispositivos puede reducir algunas capacitancias parásitas, el número de dispositivos en un chip de circuito integrado ha aumentado más que suficiente para compensar la reducción de la capacitancia en cada dispositivo individual. Algunos circuitos, como la lógica dinámica , requieren una frecuencia de reloj mínima para funcionar correctamente, desperdiciando "potencia dinámica" incluso cuando no realizan cálculos útiles. Otros circuitos, principalmente el RCA 1802 , pero también varios chips posteriores como el WDC 65C02 , el Intel 80C85 , el Freescale 68HC11 y algunos otros chips CMOS , utilizan "lógica totalmente estática" que no tiene una frecuencia de reloj mínima, pero puede "detener el reloj" y mantener su estado indefinidamente. Cuando el reloj está detenido, dichos circuitos no utilizan potencia dinámica, pero aún tienen un pequeño consumo de potencia estática causado por la corriente de fuga.

A medida que las dimensiones de los circuitos se reducen, la corriente de fuga subumbral se vuelve más prominente. Esta corriente de fuga genera consumo de energía, incluso cuando no se produce ninguna conmutación (consumo de energía estática). En los chips modernos, esta corriente generalmente representa la mitad de la energía consumida por el circuito integrado.

Las pérdidas por fugas subumbrales pueden reducirse aumentando la tensión umbral y disminuyendo la tensión de alimentación. Sin embargo, ambos cambios ralentizan significativamente el circuito. Para solucionar este problema, algunos circuitos modernos de bajo consumo utilizan tensiones de alimentación duales para mejorar la velocidad en las rutas críticas del circuito y reducir el consumo de energía en las rutas no críticas. Algunos circuitos incluso utilizan transistores diferentes (con distintas tensiones umbral) en distintas partes del circuito, en un intento por reducir aún más el consumo de energía sin una pérdida significativa de rendimiento.

Otro método que se utiliza para reducir el consumo de energía es el control de energía : ^{[ 7 ]} el uso de transistores de reposo para deshabilitar bloques completos cuando no están en uso. Los sistemas que permanecen inactivos durante largos períodos de tiempo y se "activan" para realizar una actividad periódica suelen estar en una ubicación aislada monitoreando una actividad. Estos sistemas generalmente se alimentan con baterías o energía solar y, por lo tanto, reducir el consumo de energía es un aspecto clave del diseño de estos sistemas. Al apagar un bloque funcional pero con fugas hasta que se utilice, la corriente de fuga se puede reducir significativamente. Para algunos sistemas embebidos que solo funcionan durante períodos cortos a la vez, esto puede reducir drásticamente el consumo de energía.

También existen otros dos enfoques para reducir el consumo de energía de los cambios de estado. Uno es reducir el voltaje de operación del circuito, como en una CPU de doble voltaje , o reducir el cambio de voltaje involucrado en un cambio de estado (realizando solo un cambio de estado, cambiando el voltaje del nodo en una fracción del voltaje de alimentación , por ejemplo, señalización diferencial de bajo voltaje ). Este enfoque está limitado por el ruido térmico dentro del circuito. Hay un voltaje característico (proporcional a la temperatura del dispositivo y a la constante de Boltzmann ), que el voltaje de conmutación de estado debe superar para que el circuito sea resistente al ruido. Este suele ser del orden de 50–100 mV, para dispositivos clasificados a una temperatura externa de 100 grados Celsius (aproximadamente 4 kT , donde T es la temperatura interna del dispositivo en Kelvin y k es la constante de Boltzmann ).

El segundo enfoque consiste en intentar suministrar carga a las cargas capacitivas mediante trayectorias que no sean principalmente resistivas. Este es el principio en el que se basan los circuitos adiabáticos . La carga se suministra mediante una fuente de alimentación inductiva de voltaje variable o mediante otros elementos de un circuito de lógica reversible . En ambos casos, la transferencia de carga debe estar regulada principalmente por la carga no resistiva. Como regla general, esto significa que la tasa de cambio de una señal debe ser más lenta que la dictada por la constante de tiempo RC del circuito que se está controlando. En otras palabras, el precio de la reducción del consumo de energía por unidad de cálculo es una reducción de la velocidad absoluta de cálculo. En la práctica, aunque se han construido circuitos adiabáticos, ha sido difícil que reduzcan sustancialmente la potencia de cálculo en circuitos prácticos.

Finalmente, existen diversas técnicas para reducir el número de cambios de estado asociados a un cálculo determinado. En los circuitos lógicos síncronos, se utiliza la técnica de control de reloj para evitar modificar el estado de los bloques funcionales que no son necesarios para una operación concreta. Como alternativa más radical, el enfoque de lógica asíncrona implementa circuitos de tal forma que no se requiere un reloj externo específico. Si bien ambas técnicas se utilizan en distintos grados en el diseño de circuitos integrados, parece haberse alcanzado el límite de su aplicabilidad práctica.

Existen diversas técnicas para reducir la cantidad de energía de la batería necesaria para obtener un rendimiento óptimo en la comunicación inalámbrica . ^{[ 8 ]} Algunas redes malladas inalámbricas utilizan técnicas de transmisión de bajo consumo «inteligentes» que reducen la energía de la batería necesaria para transmitir. Esto se puede lograr mediante el uso de protocolos de gestión de energía y sistemas de control de energía conjuntos.

En 2007, alrededor del 10% del presupuesto promedio de TI se gastaba en energía, y se esperaba que los costos de energía para TI aumentaran al 50% para 2010. ^{[ 9 ]}

El peso y el coste de los sistemas de alimentación y refrigeración generalmente dependen de la potencia máxima que se pueda utilizar en un momento dado. Existen dos maneras de evitar que un sistema sufra daños permanentes por calor excesivo. La mayoría de los ordenadores de sobremesa diseñan sus sistemas de alimentación y refrigeración en función de la disipación de potencia de la CPU en el peor de los casos, considerando la frecuencia máxima, la carga de trabajo máxima y el entorno más adverso. Para reducir el peso y el coste, muchos ordenadores portátiles optan por un sistema de refrigeración mucho más ligero y económico, diseñado para una potencia de diseño térmico ( TDP) mucho menor , ligeramente superior a la frecuencia máxima esperada, la carga de trabajo típica y el entorno típico. Normalmente, estos sistemas reducen (limitan) la frecuencia de reloj cuando la temperatura del núcleo de la CPU es demasiado alta, disminuyendo la potencia disipada a un nivel que el sistema de refrigeración puede soportar.

Los dispositivos médicos implantables representan una de las aplicaciones más exigentes de la electrónica de bajo consumo, ya que deben funcionar de forma fiable durante años o décadas dentro del cuerpo humano sin necesidad de cirugía para el reemplazo de la batería. Los marcapasos cardíacos , los implantes cocleares , los neuroestimuladores y los desfibriladores cardioversores implantables se encuentran entre los dispositivos que dependen fundamentalmente del diseño de circuitos de ultrabajo consumo. ^{[ 10 ]}

Los marcapasos, por ejemplo, consumen solo unas pocas decenas de microamperios de corriente, lo que permite que las baterías de yoduro de litio alimenten el dispositivo durante hasta diez años o más sin necesidad de reemplazo. ^{[ 11 ]} Las estrategias de diseño incluyen operar transistores CMOS en la región de inversión débil para minimizar el consumo de corriente, escalado de voltaje agresivo , control de potencia para apagar bloques de circuito inactivos y el uso de técnicas de recolección de energía, como convertir la energía mecánica de los latidos del corazón o el movimiento corporal en energía eléctrica.

El ajustado presupuesto energético de los dispositivos implantables impone estrictas limitaciones a todos los subsistemas, incluidos los sistemas de adquisición de señales, los procesadores de señales digitales y los enlaces de telemetría inalámbrica. Como resultado, los dispositivos médicos implantables han impulsado una importante innovación en el diseño de circuitos integrados de ultrabajo consumo , y las técnicas desarrolladas en este campo han tenido una gran influencia en la electrónica de bajo consumo en general.

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