Integroitujen piirien kehitys on ottanut jatkuvasti isoja kehitysaskelia. Viivanleveys on pienentynyt ja laskentaytimet ovat kehittyneet, kun tavoitteena on ollut suurempi laskenta nopeus ja pienempi tehonkulutus. Uusimmatkaan pienen tehonkulutuksen mikro-ohjaimet eivät itse asiassa ole kovinkaan energiatehokkaita.

Yleisin tehonsäästömenetelmä on suorittaa operaatiot mahdollisimman nopeasti ja sen jälkeen käyttää mikro- ohjaimen monia ”sleep”-sammuttamismenetelmiä. Energia ja teho riippuvat kuitenkin neliöllisesti käyttöjännitteestä ja siten käyttöjännitteen lasku on tehokkain energian- ja tehon- säästömenetelmä.

Nykyiset mikro-ohjaimet toimivat alimmillaan n. 900 millivoltilla, kun suomalaisen Minima Processorin teknologia mahdollistaa jopa 300 millivoltin käyttöjännitteen ja yli 15-kertaisen energian- säästön (normaaliin 1,2 voltin käyttöjännitteeseen verrattuna).

Käyttöjännitteen lasku ei kuitenkaan ole ilmaista: suurin kellotaajuus laskee suunnilleen lineaarisesti käyttöjännitteen funktiona. Onneksi uusimmat mikro-ohjaimissa käytössä olevat puolijohdeprosessit ovat siinä määrin nopeita, että 300 millivoltilla pääsee vielä noin 10 megahertsin kellotaajuuksiin.

Uusimpien puolijohdeteknologioiden ja teknologioiden (kuten Miniman) käyttö ei kuitenkaan ole ilmaista ja siksi markkinoilta on löydyttävä käyttökohde, jolle energiahyöty on helposti muutettavissa markkinaosuudeksi. Perinteinen ”vesimittaus” ei ole tällainen, koska nämä mittarit heräävät hyvin harvoin (kerran 10 minuutissa, milloin aktiivisen ajan osuus on n. 10^-5). Tällaisissa käyttökohteissa tärkeintä on sammutuksen aikana tapahtuvan vuotoenergian minimointi.

Parhaaksi käyttökohteeksi ovat osoittautuneet uusimmat in- ear- eli nappikuulokkeet, joissa on puheentunnistus (Alexa, Siri). Näiden laitteiden prosessoreita ei voi sammuttaa, koska komentosana voi tulla millä hetkellä hyvänsä (always-on - järjestelmä). Kuuntelu itsessään ei kuitenkaan ole kovin monimutkainen operaatio ja siihen kymmenisen megahertsiä riittää mainiosti.

Uusimmat in-ear -kuulokkeet ovat todella haastavia suunnittelukohteita. Pienen suorituskyvyn kuuntelun lisäksi laitteen pitää pystyä muun muassa tunnistamaan komento- sana (suhteellisen kompleksi tekoälyongelma), purkamaan musiikkitiedostoja (suhteellisen helppoa), pyörittämään Bluetooth-standardia (suhteellisen helppoa) ja tuottamaan vastamelua (vaikea ongelma, varsinkin useammalla mikrofonilla). Akun pitää mahtua korvan sisälle ja käyttöaikaa olisi hyvä olla kahdeksan tuntia. Tästä syystä huippukuulokkeissa onkin nähty jopa neljäytimisiä mikro- ohjaimia, joista jokainen ydin on kustomoitu eri käyttökohteelle. Tällaiset järjestelmät ovat tunnetusti hankalasti ohjelmoitavia. Suunnitteluvaiheen verifiointi on pitkä prosessi ja lisää suunnittelukustannuksia.

Miniman teknologia mahdollistaa kaiken tämän toiminnallisuuden toteuttamisen yhdellä tai kahdella ytimellä. Lisäksi ytimet voivat jatkuvasti toimia algoritmille optimaalisella käyttöjännitteellä (300mV kuuntelulle, 950mV tekoälylle, jne.). Tästä esimerkki nähdään ylläolevassa kuvassa. Miniman NTV-tekniikalla (Near Threshold Voltage) CPU:n käyttämää energiaa voidaan skaalata (kuvassa oikealla) sekä algoritmin yksinkertaisiin osiin että monimutkaisempiin osiin kuten kuulokkeisiin IoT-sovelluksissa.

Miniman teknologia mahdollistaa myös käyttöjännitteen reaaliaikaisen säätämisen lämpötila-, prosessi- ja jännite- varianssin mukaan. Huono piipala lämpimässä huoneessa voi vaatia 200mV enemmän jännitettä kuin keskiverto pii normaalissa huonelämpötilassa. Perinteisesti kaikki tietyn mallin ohjaimet toimisivat tällä korkealla jännitteellä ja hukkaisivat siten reilusti energiaa, mutta Miniman teknologia säätää käyttöjännitteen joka kappaleelle erikseen. Koska Miniman teknologia säästää energiaa myös korkeimmilla käyttöjännitteillä, voisi saman piinpalan ylin kellotaajuus olla 200 megahertsiä aiemman 100 megahertsin sijaan.

Vastaavia käyttökohteita löytyy paljon varsinkin tekoälyn leviämisen ja avoimen lähdekoodin RISC-V-prosessoreiden myötä. Nämä ja Miniman teknologia mahdollistavat todellisen ubiikin elektroniikan esiinmarssin.

Kirjoittaja Lauri Koskinen on Minima Processorin perustaja ja teknologiajohtaja. Kolumni on ilmestynyt uudessa ETNdigi-lehdessä. Sitä pääset lukemaan täällä.