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EFFICIENZA ENERGETICA
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- ELETTRONICA OGGI 463 - GIUGNO/LUGLIO 2017
più elevata. In un periodo pari a 1 secondo le perdi-
te di commutazione rivestono un ruolo marginale. In
ogni caso è utile segnalare che le perdite di commuta-
zione (tratteggiate in rosso nel grafico di Fig. 1) stanno
assumendo un’importanza sempre più rilevante.
Power gating: concetti di base
Nella figura 2 viene descritto il principio base della
tecnica di “power gating”. L’esclusione di alcuni cir-
cuiti dovrebbe comportare una riduzione delle perdi-
te imputabili alle correnti di dispersione. Tali correnti
(ovviamente indesiderate) scaricano le capacità pre-
senti nel circuito: più elevata è la temperatura, mag-
giore sarà la velocità di scarica. Tali capacità sono di
natura intrinseca e di tipo parassita. Essi limitano le
cadute di tensione dovute ai picchi di corrente a un
livello di sicurezza. Quando viene utilizzata la tecnica
di “power gating”, il consumo di energia dinamica au-
menta mentre le condizioni di commutazione contribu-
iscono a incrementare le perdite di energia. In nume-
rose condizioni operative gli alimentatori sono accesi
e spenti in parallelo al “power gating”. Ciò comporta
un ulteriore aumento delle perdite di commutazione e
dinamiche. A questo punto è utile chiedersi quali sono
le condizioni operative che apportano i maggiori be-
nefici sotto il profilo del consumo di energia. Il secon-
do elemento che deve essere preso in considerazione
sono gli elementi che fanno parte dell’ambiente in cui
opera il sistema, come ad esempio la fonte di energia,
la temperatura o il profilo di temperatura.
La fonte di energia fornisce la regolazione della ten-
sione di funzionamento, ad esempio mediante un re-
golatore lineare o un convertitore DC/DC. Nelle MCU
di fascia bassa viene solitamente utilizzato un regola-
tore alla volta, mentre nei sistemi ad alte prestazioni
(che prevedono l’uso di SoC multi-core) sono presenti
più alimentatori che operano contemporaneamente.
Il profilo di temperatura deve essere preso in consi-
derazione quando le perdite di energia, ad esempio
le correnti di dispersione, rappresentano la maggior
di processo ridotte hanno evidenziato l’impatto della
tensione e della temperatura sul budget energetico.
Per questo motivo, sono state sviluppate tecniche di
power gating (esclusione dall’alimentazione della lo-
gica non utilizzata) e di scaling (variazione dinamica)
della frequenza e della tensione. Si tratta di tecniche
divenute standard nella realizzazione di MCU/SoC a
basso consumo. Nonostante ciò, vi sono alcune do-
mande che un progettista di sistemi si deve porre:
• Quali metodi e criteri sono utilizzati dal costruttore
e quali criteri sono importanti per la particolare ap-
plicazione considerata? Tali criteri corrispondono?
• Quali modalità operative hanno un impatto ottimale
sui consumi di energia?
Il primo fattore da tenere in considerazione è la durata
(il tempo speso) di una particolare modalità energeti-
ca, considerando il contributo di ciascuna modalità al
consumo totale di energia – e le condizioni di commu-
tazione dinamica:
• La modalità operativa (1) influenza direttamente il
consumo di energia – funzionalità e codice devono
essere eseguite.
• La modalità di sleep (2) ha il proprio livello di con-
sumo di energia – funzioni e codici vengono ar-
restati e richiedono un evento esterno per essere
riavviate. Entrambe le modalità appena descritte (1
e 2) contribuiscono al consumo di energia.
Condizioni di commutazione di funzioni che non sono
di tipo on/off.
Nell’Energy Benchmark messo a punto dal consorzio
EEMBC (le cui sequenza base cono riportate nella Fig.
1) la modalità operativa 1 (esecuzione/run) esegue il
codice definito. Gli utenti selezionano la modalità ope-
rativa, ad esempio la regolazione della tensione da
parte dell’LDO o del convertitore DC/DC, la frequenza
di funzionamento e così via. Essi possono scegliere la
modalità che utilizza la minor quantità di energia per
la loro applicazione. La funzione di clock in tempo re-
ale (RTC/RTCC), implementata tramite un oscillatore o
un quarzo a 32 kHz, è attiva e rappresenta il secondo
fattore che consuma energia. Il periodo in questo caso
è pari a 1 secondo. Il benchmark misura il consumo
di energia piuttosto che quello di corrente. I futuri
benchmark di questo tipo prevedono l’aggiunta di un
fattore che tenga conto delle perdite di commutazione.
Nelle attuali MCU/SoC la modalità operativa è il fattore
che contribuisce in misura maggiore al consumo di
energia. In generale è possibile ridurre il tempo di ese-
cuzione per compensare la corrente di funzionamento
Fig. 2 – Schema di principio della tecnica di “power gating”