Processorer som drivs av klockpulser och uppladdning av kapacitanser i flera steg är några metoder som forskare nu tittar på för att få ner energiförbrukningen i halvledarkretsar.

Alla kretstillverkare i världen söker med ljus och lykta efter metoder att göra sina kretsar effektsnålare. En metod som fått en del uppmärksamhet är att återvinna en del av den energi som går åt för laddning och urladdning av kapacitanserna i en krets.

Genom att göra detta på diverse smarta sätt kan man få fram kretsar med en bråkdel av dagens effektförbrukning, kanske så lite som en tiondel eller en femtedel.

På institutet för informationsvetenskap, ISI, vid University of Southern California har man tagit fram en hel 16-bitars riscprocessor som använder den här tekniken. Den kallas AC-1 och presenterades i augusti på konferensen ISLPED, International Symposium on Low Power Electronics and Design.

I forskningsgruppen ingår två svenskar, Lars "J." Svensson och Lena Peterson.

- AC-1 fungerade över förväntan, berättar Svensson.

- Nu jobbar vi med nästa version, AC-1.2, och där ska vi bland annat integrera ett snabbt och energisnålt minne också. Det kommer att öka prestandan rejält, säger han.

Effektutvecklingen i de första experimentella kretsdelarna låg i storleksordningen 1 mW/MHz. De kunde köras i hastigheter upp till 50 MHz. Men det finns mycket kvar att göra.

AC-1 står för Adiabatic Computer 1, men att kalla kretsen för adiabatisk är något överdrivet. Adiabatisk betyder att något äger rum utan förlust eller tillskott av värme, och viss effektutveckling har även AC-1. Svensson gillar inte heller uttrycket adiabatisk.

- Vi brukar säga att vi håller på med energiåtervinning. Då förstår även ickespecialisterna, säger han.

I AC-1 är det energin i klockpulserna som återvinns. Kretsen har visserligen också en vanlig spänningsmatning, men klockpulserna står för huvuddelen av strömförsörjningen. Laddningen lagras induktivt vid urladdning och återanvänds sedan vid uppladdning.



Flerstegsladdning


Man jobbar också med en besläktad teknik kallad flerstegsladdning, som har hunnit längre i utvecklingen. Tekniken beskrivs i rutan här intill. Med flerstegsladdning blir effektbesparingarna mindre, men denna teknik är lättare att införa i konventionella konstruktioner.

Det dröjer naturligtvis innan dessa tekniker når marknaden. Enligt Svensson finns ett antal intresserade företag, och gruppen på ISI arbetar med en kommersiell produkt.

- Men vi vill inte pressa fram något innan vi har bättre grepp om tekniken, säger Svensson.

Samtidigt som han manar till försiktighet så andas gruppen optimism. Svensson säger sig vara övertygad om att kretsar som på något sätt använder energiåtervinning finns på marknaden inom två-tre år. Och om fem år borde tekniken ha fått en spridning på marknaden.



Vanliga metoder är dyra


Det finns många sätt att minska effektförbrukningen i halvledarkretsar. Men de flesta bygger på förbättringar av dagens teknik, som att sänka spänningen och minska geometrierna. Det vanligaste är att sänka spänningen, vilket ger bra resultat eftersom effekten är kvadratiskt proportionell mot spänningen.

Metoderna fungerar utmärkt, men blir allt kostsammare att implementera. De bygger ju på att nya och modernare halvledarprocesser ständigt tas i bruk.

Att ta till mer revolutionerande förändringar i kretsarnas arbetssätt är därför ett lockande alternativ. Parallellism är ett vida diskuterat angreppssätt. Genom att parallellkoppla strukturer i kretsarna kan man antingen få dem att utföra mer arbete eller utföra lika mycket arbete vid lägre spänning.

Parallellism kräver dock en hel del extra styrlogik för att fungera väl, så det är inte säkert att fördelarna överväger nackdelarna.

Adam Edström

Mer information finns

på http://www.isi.edu/acmos och

på http://infopad.eecs.berkely.edu.



Stegvis laddning minskar energibehovet


Genom att ladda kapacitanser i flera steg går det att minska den nödvändiga effekten utan att dra ner på spänningsnivåerna. Uppladdningen sker då genom att kapacitanserna kontaktas först med en låg spänning och därefter, i steg, med högre spänningar tills matningsspänningen är nådd. Urladdning görs på motsvarande vis.

Varje laddningssteg kräver då relativt lite energi, eftersom spänningsfallet över transistorn då blir ganska litet. Metoden påminner om switchade kraftaggregat, där själva omkopplingen i transistorerna görs då spänningen över dem är låg. De mellanliggande spänningsnivåerna tillhandahålls av kapacitanser, där laddningen också mellanlagras.

Den laddning som återvinns vid urladdning används för uppladdning av kapacitanserna i nästa steg. Det innebär att effektbehovet blir lägre, eftersom man inte behöver tillföra lika mycket laddning från spänningskällan.

Det hela fungerar ungefär som slussar i ett kanalsystem. Om man ska slussa ett fartyg från en vattennivå till en annan kan man antingen ta hela steget i en sluss eller dela upp färden på två eller flera slussar. Med en ensam sluss går det åt en mängd vatten som motsvarar slussens yta gånger nivåskillnaden. Med flera slussar kan man klara sig med ännu mindre vatten.