CONSUMO DE POTˆ ENCIA EM PROCESSADORES

A partir da d´ecada de 70, as inova¸c˜oes tecnol´ogicas prove- nientes da integra¸c˜ao de transistores em muita larga escala (VLSI) contribu´ıram para a redu¸c˜ao de custos e consequente diversifica¸c˜ao de aparelhos port´ateis. Esse fato fez surgir necessidades que deram in´ıcio ao desenvolvimento de novas pesquisas, entre elas, as relacionadas ao consumo de energia el´etrica. Tal interesse, justifica-se n˜ao s´o por estar relacionado `a est´etica do dispositivo (peso, portabilidade e design), mas tamb´em `as funcionalidades disponibilizadas por ele (multim´ıdia, ´audio e comunica¸c˜ao) e `a dura¸c˜ao da fonte de energia. Assim, novas ´areas de pesquisa se dedicaram ao estudo de meios para solucionar as quest˜oes envolvendo a eficiˆencia energ´etica.

O ponto de partida para analisar a redu¸c˜ao do consumo de potˆen- cia come¸ca pela an´alise das principais fontes de consumo em circuitos CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor ): corrente de fuga (leakage current ), corrente de curto circuito (short-circuit current ) e a corrente respons´avel pela carga e descarga dos capacitores de carga. Tais fenˆomenos desencadeiam consumos dinˆamicos ou est´aticos que est˜ao relacionados `a existˆencia de transi¸c˜oes entre os n´ıveis de tens˜ao (nas entradas e sa´ıdas das portas durante a mudan¸ca dos n´ıveis l´ogicos) ou `a ausˆencia da transi¸c˜ao (BUTZEN; RIBAS, 2008;BUTZEN et al., 2009). A literatura aborda as seguintes intensidades de correntes como sendo as principais fontes de consumo de potˆencia em circuitos digitais:

⇒Corrente de Carga: o modelo da entrada de uma porta de um

circuito digital ´e determinado por um circuito RC, estabelecendo uma estrutura de resistores e capacitores. A corrente de carga ´e a corrente resultante do processo de carga e descarga da capacitˆancia de sa´ıda das portas (PEDRAM, 1995). Nesse caso, a denomina¸c˜ao usual para indicar a potˆencia ligada `a corrente de carga ´e “potˆencia dinˆamica”. A express˜ao que determina seu valor ´e indicada pela equa¸c˜ao 2.6:

Pdin=

1 2 · V

2

dd· CL· Nsw· fclock (2.6)

Onde: Pdin´e a parcela da potˆencia dinˆamica, relacionada `a corrente de

carga, em watt(W ), Vdd´e a tens˜ao de alimenta¸c˜ao do circuito digital em

volt(V ), CL ´e a capacitˆancia de carga da porta l´ogica em f arad (F ),

Nsw indica a atividade de comuta¸c˜ao, que representa o n´umero m´edio

de transi¸c˜oes do circuito por 1/fclocke fclock´e frequˆencia de rel´ogio em

hertz (Hz).

⇒Corrente de Curto Circuito: resultante da corrente que flui en-

tre Vdde GN D nos momentos intermedi´arios das transi¸c˜oes de entrada

(DEVADAS; MALIK, 1995), durante os quais h´a transistores conduzindo simultaneamente em ambas as redes, pull-up e pull-down, criando um caminho de curto-circuito entre Vdd e GN D. Isso ocorre quando um

circuito CMOS est´atico ´e chaveado por um sinal de entrada com tempos de subida e descida n˜ao-zero, tendo-se os transistores PMOS (Positive

Channel Metal Oxide Semiconductor ) e NMOS (Negative Channel

Metal Oxide Semiconductor ) conduzindo simultaneamente por um curto intervalo de tempo. Este consumo pode se tornar substancial se a entrada mudar de maneira lenta, ou seja, se os tempos de subida ou descida dos sinais de entrada dos circuitos forem grandes. Como resultado, surge uma corrente direta de Vdd para GN D durante o

intervalo da comuta¸c˜ao, onde os transistores PMOS e NMOS conduzem simultaneamente. O c´alculo da potˆencia devido `a corrente de curto circuito emprega a equa¸c˜ao 2.7 (DEVADAS; MALIK, 1995):

Pcc= Vdd· Qcc· fclock· Nsw (2.7)

Onde: Pcc´e a parcela da potˆencia devido `a corrente de curto circuito

em watt (W ), Vdd ´e a tens˜ao de alimenta¸c˜ao do circuito digital em

volt (V ) e Qccrepresenta a carga transportada pela corrente de curto

circuito por transi¸c˜ao em coulombs (C), NSW a qual indica atividade

de comuta¸c˜ao, representa o n´umero m´edio de transi¸c˜oes do circuito por 1/fclock e fclock´e frequˆencia de rel´ogio em hertz Hz.

⇒Corrente de Fuga: essencialmente relacionada aos portadores

minorit´arios da estrutura cristalina de sil´ıcio e manifesta-se quando o cristal ´e polarizado reversamente. Circula no momento em que n˜ao h´a transi¸c˜ao alguma no sinal da porta dos transistor (BUTZEN; RIBAS, 2008). As correntes de fuga, correntes el´etricas que fluem atrav´es de dois pontos entre os quais deveria haver idealmente uma resistˆencia infinita. Estas correntes eram desconsideradas em tec- nologias microm´etricas devido a sua insignificante magnitude. Em tecnologias nanom´etricas elas passaram a ter um papel significativo no consumo total do circuito A equa¸c˜ao que determina o valor da potˆencia consumida em fun¸c˜ao da corrente de fuga ´e expressa pela equa¸c˜ao 2.8.

Pf uga= Vdd· If uga (2.8)

Onde: Pf uga´e a parcela da potˆencia devido `a corrente de fuga em watt

(W ), Vdd ´e a tens˜ao de alimenta¸c˜ao do circuito digital em volt (V ) e

If uga´e a corrente de fuga em amperes (A).

Portanto, as formula¸c˜oes apresentadas servem como base para a an´alise do consumo de potˆencia de circuitos CMOS. De acordo com Chandrakasan, Sheng e Brodersen (1992) s˜ao trˆes as principais fontes de dissipa¸c˜ao de potˆencia, resultantes da corrente de fuga (Pf uga), da

corrente de curto-circuito(Pcc) e da corrente de carga (Pdin), as quais

combinadas resultam na potˆencia total, indicada por 2.9.

Pcmos= Pf uga+ Pcc+ Pdin (2.9)

De forma geral, h´a um consenso na literatura de que a fonte dominante de consumo de potˆencia em circuitos CMOS resulta das capacitˆancias de carga, a qual referem-se como potˆencia dinˆamica (BROOKS; TIWARI; MARTONOSI, 2000;UNSAL; KOREN, 2003;VENKAT- ACHALAM; FRANZ, 2005;BUTZEN; RIBAS, 2008), seguida pela potˆencia relativa `a corrente de curto circuito (BUTZEN; RIBAS, 2008).

Para viabilizar a redu¸c˜ao do consumo de potˆencia, primeira- mente, deve-se identificar, no conjunto de equa¸c˜oes anteriormente apre- sentadas, as vari´aveis que est˜ao acess´ıveis para realizar esta conduta. Esse procedimento, se resume em minimizar uma ou mais vari´aveis determinadoras do valor da potˆencia dinˆamica (Pdin), considerando que

ela ´e a respons´avel pela parcela de maior consumo. Nesse sentido, as possibilidades incluem o desenvolvimento de processos de produ¸c˜ao de transistores com geometrias e composi¸c˜oes e de t´ecnicas que alterem o funcionamento do hardware ou ainda que interfiram no software. Com base nesse grande grupo, as abordagens de projeto relacionadas ao

consumo de potˆencia classificam-se em: baixo consumo de potˆencia (low-power design) e sens´ıvel ao consumo de potˆencia (power-aware

design) que s˜ao melhor discutidas no cap´ıtulo 3.

De modo geral, em projetos de baixo consumo, o principal objetivo ´e a minimiza¸c˜ao da potˆencia. Em sistemas sens´ıveis ao consumo de potˆencia, a potˆencia e a energia s˜ao metas de desempenho significativas; nesses casos, o sistema est´a autorizado a modificar o seu comportamento com base na disponibilidade de potˆencia ou de energia (UNSAL; KOREN, 2003).

2.3 BENCHMARKS

A diversidade e a evolu¸c˜ao das arquiteturas dos computadores modernos torna a tarefa de avaliar o desempenho dos sistemas com- putacionais cada vez mais complexa, principalmente perante objetivos espec´ıficos. Assim, os benchmarks tˆem como principal prop´osito pro- porcionar uma infraestrutura capaz de estabelecer, manter e aplicar programas computacionais e m´etricas que auxiliem na compara¸c˜ao de desempenho de objetivos espec´ıficos. Essas estruturas s˜ao compostas por um conjunto de programas computacionais, representativos de uma classe de aplica¸c˜oes. Os benchmarks s˜ao utilizados em diferentes sistemas, fornecendo meios para que esses resultados possam ser com- parados entre as diferentes arquiteturas (BILEN; ALCALDE, 2010).

As poss´ıveis finalidades para os benchmarks encontram-se na avalia¸c˜ao do desempenho de computadores, de aplica¸c˜oes desenvolvidas para a web, de sistemas de alto desempenho, de tempo de execu¸c˜ao, entre outras. S˜ao exemplos de benchmarks: Dhrystone (WEISS, 2002) e

Whetstone (LONGBOTTOM, 2004) (avalia¸c˜ao do desempenho de proces- sadores), LINPACK (medida da performance com opera¸c˜oes com ponto flutuante) (LINPACKBENCHMARK, 2000),(Standard Performance Eval-

uation Corporation (SPEC)(SPEC, 1998) (diversos objetivos: consumo de potˆencia, desempenho de navegadores, entre outros).

Em rela¸c˜ao aos benchmarks voltados para aplica¸c˜oes embar- cadas, destaca-se o conjunto de programas desenvolvido pelo cons´orcio

EDN Embedded Microprocessor Benchmark Consortium (EEMBC). A

EEMBC disponibiliza mais de 60 programas relacionados `as aplica¸c˜oes embarcadas distribu´ıdas nas ´areas de automa¸c˜ao de escrit´orio, automo- tiva e controle industrial, telecomunica¸c˜oes, redes de comunica¸c˜ao, apli- ca¸c˜oes para digitaliza¸c˜ao de imagem, entretenimento digital (POOVEY et al., 2009). Por´em, as informa¸c˜oes s˜ao limitadas aos membros do

cons´orcio (EEMBC, 2012).

Com prop´osito semelhante, a Universidade de Michigam de- senvolveu e disponibiliza gratuitamente, em c´odigo C, um conjunto contendo 35 programas, chamado MiBench (GUTHAUS et al., 2001). Os programas s˜ao usados em aplica¸c˜oes embarcadas nos seguintes dom´ınios: automotivo e controle industrial, redes de comunica¸c˜ao, seguran¸ca, dispositivos para os consumidores, automa¸c˜ao de escrit´orio e telecomunica¸c˜ao.

Segundo os desenvolvedores do MiBench, o diferencial de pro- gramas computacionais destinados `a aplica¸c˜oes embarcadas se d´a pela computa¸c˜ao mais intensa (opera¸c˜oes com n´umeros inteiros e de ponto flutuante), pela ocorrˆencia de a¸c˜oes de controle (desvios condicionais e incondicionais) e pelo uso de mem´oria (busca e armazenamento de instru¸c˜oes I/O). Com base nessa classifica¸c˜ao, foram realizados testes que mediram o percentual de ocorrˆencia dessas instru¸c˜oes para cada programa; o resultado foi expresso em gr´afico comparativo contendo os

softwares avaliados.