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Prozessor-Energieverbrauch bei Echtzeit-Modulation erreicht historischen Tiefstand

Eine große Hürde bei der Realisierung des Internets der Dinge ist die Minimierung des Energieverbrauchs von endlos miteinander verbundenen Geräten. Eine neue Technologie, die dies mit den vorhandenen Prozessoren in erheblichem Maße ermöglicht, nimmt die Hürde der Markteinführung.

Digitale Wirtschaft
Industrielle Technologien

Das Internet der Dinge verspricht, praktisch jedes Gerät mit dem Internet zu verbinden. Dieser Prozess beginnt mit „Dingen“ wie Haushaltsgeräten über tragbare Fitnessgeräte und reicht bis zu intelligenter Landwirtschaft und Gesundheitssystemen. Ein wesentliches Hindernis für den wirklichen Anschluss all dessen, was angeschlossen werden kann, ohne Batterien im Übermaß zu verbrauchen, ist die Optimierung des Energieverbrauchs, der für die Verarbeitung aller gemeinsam genutzten Daten erforderlich ist. Im EU-finanzierten Projekt MINIMA (Introducing the next computing power revolution: Minima microprocessor technology to reduce the energy need of digital computing by 20 times) wurde eine Technologie entwickelt, die den Energiebedarf praktisch aller Geräte, die digitale Datenverarbeitung nutzen, um das bis zu 20-fache reduziert. Es könnte den Raketentreibstoff liefern, der notwendig ist, um die Welt jetzt in die Zukunft des Internets der Dinge zu führen.

Die dynamische Modulation erreicht in Echtzeit ein Energieminimum

Der Prozessor ist das „Gehirn“ digitaler Geräte. Es ist ein kleiner Chip mit Milliarden Transistoren. Da der Energieverbrauch eines Transistors quadratisch proportional zu seiner Betriebsspannung steht, standen Niedrigenergiemodelle, mit denen diese Spannung gesenkt werden kann, im Mittelpunkt einer intensiven Entwicklungsarbeit. MINIMA konzentrierte sich auf die Erreichung des minimalen Energieverbrauchs in Echtzeit durch eine dynamische Modulation des gesamten Hardware-Software-Systems. Die Technologie nutzt die Vorteile des Minimalen Energiepunkts [MEP], das als die Betriebsspannung gilt, bei der der gesamte Energieverbrauch pro Betrieb minimiert wird. Der Projektkoordinator und Technikvorstand von Minima Processor, Lauri Koskinen, erklärt: „MINIMA verwendet ein Modell zur Bereitstellung von geistigem Eigentum, das den Stack ganzheitlich betrachtet, von den niedrigsten und kleinsten physischen Dingen, aus denen der Prozessor besteht, bis hin zur Software. Im Gegensatz zu statischen Ansätzen, die darauf abzielen, die Gatterbibliothek für den stromsparenden Betrieb sehr robust zu machen, ist Dynamic Margining eine kombinierte Hardware-Software-Lösung, mit der das Gerät seinen eigenen Energieverbrauch während des Betriebs entsprechend den Leistungsanforderungen, Prozessschwankungen oder Umgebungsbedingungen in Echtzeit einstellen kann.“

Nun kann ein Weltrekord zur kommerziellen Anwendung werden

Minima Processor hatte bereits einen Weltrekord-MEP von 3,15 pJ pro Betrieb auf einem 32-Bit-Prozessor inne, der den Energieverbrauch um das 15- bis 20-fache im Vergleich zum Nennspannungsdesign senkt. Mit EU-Mitteln für das MINIMA-Projekt konnte das Team die Technologie optimieren. Koskinen: „Wir haben es geschafft, die Vorteile des Energieverbrauchs beizubehalten und gleichzeitig die Technologie leichter implementierbar und prüfbar zu machen, beides sind Schlüsseleigenschaften in der schnelllebigen Halbleiterindustrie.“ Die Technologie von MINIMA kann jede bestehende zentrale Recheneinheit oder jeden digitalen Signalprozessor optimal nutzen. System-on-Chip-Anbieter wie Texas Instruments können den geringeren Energieverbrauch in eine längere Akkulaufzeit und/oder neue Funktionen ohne Beeinträchtigung der Akkulaufzeit umsetzen. MINIMA ist bereits Partnerschaften mit NXP und ARM eingegangen. Koskinen fasst zusammen: „Wir haben als Akademiker ein Unternehmen gegründet, und unser äußerst kompetentes technisches Team hat sich schnell zu einem ernsthaften Konkurrenten gegenüber langjährigen Industrieteams in diesem Bereich entwickelt. Das erste Produkt ist gerade auf dem Weg in eine Halbleiterfabrik.“ Da immer mehr „Dinge“ miteinander vernetzt werden und Leistung und Energie durch die MINIMA-Technologie besonders gestärkt werden, kann mit dem Internet der Dinge nun sehr schnell aus Science-Fiction Realität werden.

Schlüsselbegriffe

MINIMA, Energie, Energieverbrauch, Prozessor, Internet der Dinge (IoT), Spannung, digital, minimaler Energiepunkt (MEP), Internet, Batterie, dynamisches Margining, Halbleiter

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