Miljoner instruktioner för futtiga milliwatt. Lågeffektsprocessorer

Lågeffektsprocessorer behöver bara några tiotals milliwatt. Ändå kan de utföra åtskilliga miljoner instruktioner per sekund.

På 1980-talet var en strömsnål processor liktydigt med en nedskalad variant av en kraftfullare storebror. Idag konstrueras processorerna med strömförbrukningen i åtanke redan från första början.

- Det går ända tillbaka till instruktionsuppsättningen, säger Trent Poltronetti på Advanced Risc Machines, ARM.

- Enkla instruktioner är mycket enklare att avkoda, det behövs mindre logik, och därmed blir processorkärnan mycket enklare. Det är den stora fördelen med risc.

Han jämför med Pentium som på grund av kravet på bakåtkompatibilitet tvingas dras med en massa gamla x86-instruktioner. Det blir många instruktioner i flera olika format, och följaktligen krävs mycket logik för att avkoda dem.

Engelska ARM är ett företag som specialiserat sig på strömsnåla men kraftfulla processorer. I den här världen mäts inte prestanda i Specint eller Mips (miljoner instruktioner per sekund), utan i Mips per Watt.

I dagarna lanserade ARM processorn 810 som prestandamässigt hamnar mellan den minimalistiska 710 och flaggskeppet Strongarm. Processorn har samma 5-stegs rörledning som Strongarm, men tillverkas i en enklare process. Prestanda ligger på 80 Mips vid en halv watts effektförbrukning.

En annan färsk snål-men-kraftfull processor är IBMs PowerPC för inbyggnad, 401GF. Jämfört med sina tidigare inbyggnads-PowerPC har IBM skalat bort delar som serieport, DRAM-hanterare och logik för direkt minnesåtkomst, DMA. Däremot finns ett ganska avancerat cacheminne kvar.

Resultatet är en enkel och billig krets som inte drar mer än 40 mW men ger ändå 25 Mips vid 25 MHz. En 50 MHz-variant finns också ute nu, medan 75 och 100 MHz- kretsar ska komma i höst.

Den mobila boomen

Marknaden för lågeffektsprocessorer tog fart i början av decenniet. Då kom mobiltelefonboomen, och det var då folk började använda bärbara datorer, personsökare och personliga digitala assister.

När denna mobila marknad öppnades började flera processorkonstruktörer se effektförbrukningen som ett kritiskt problem värt att ta hänsyn till redan i projektens början.

Flera olika tekniska lösningar har dykt upp. ARMs processorer är till exempel helt statiska. Det innebär att de kan köras på valfri klockfrekvens upp till en given maxfrekvens. Därmed kan man stoppa processorn helt när inget arbete finns att utföra för den.

Konstruktörerna började också att integrera faslåsta slingor, PLL, i sina kretsar. Med en sådan slinga kan man använda en extern lågeffektsoscillator med en låg frekvens, som den faslåsta slingan internt trimmar upp till önskad arbetsfrekvens.

Till exempel arbetar ARMs processor för personliga assistenter, 7100, på 18 MHz, men matas trots det med en 3-MHz-oscillator.

Olika klockor

Hitachi tänkte också på strömförbrukningen när man tog fram sina processorer H8 och Super-H. I den senaste Super-H-kärnan, SH-3, är det möjligt att separat optimera klocksignalerna för processorkärnan, de inbyggda periferienheterna och den externa bussen, för att på så vis minska effekten. Det finns också en funktion som stänger av den delen av cacheminnet som för tillfället inte adresseras.

En annan lösning som Toshiba använt i styrkretsen TLCS-900/L är att använda två olika klockor, dels den vanliga på 20 MHz, dels en långsam, strömsparande på 32 kHz. För att byta mellan klockorna skriver man bara in i ett register.

Trots konstruktörernas finesser skulle inte mycket av den effektminskning som skett ha inträffat om inte halvledarprocesserna blivit så mycket bättre som de blivit.

Med minskade geometrier går det att använda lägre spänningar internt på kislet. Och lägre spänningar innebär mycket lägre effektförbrukning, eftersom denna ju beror kvadratiskt på spänningen.

Med lägre spänningar går det också att använda tunnare metallledningar mellan transistorerna, vilket sparar ytterligare energi.

Bästa exemplet på fördelen med låg spänning är kanske Strongarm-processorn, som går på 1,65 V och vid 100 MHz ger 115 Mips. Dess effektförbrukning är bara 0,3 W.

Mikael Zackrisson