- IoT-laitteissa voidaan edelleen alentaa selvästi tehonkulutusta. Sitä kautta saamme lisää toiminta-aikaa IoT-laitteille sekä lisäaikaa valmiustilassa. Näin kehui oululaisen Minima Processorin teknologiajohtaja Lauri Koskinen Embedded Conference Finlandin keynotessaan viime torstaina.
Koskisen mukaan IoT on ennen kaikkea tuottavuuden parantamista. - Keräämme jo nyt valtavat määrät dataa, mutta jossakin vaiheessa datan määrä alkaa rajoittaa tuottavuuden kasvua. Datan liikuttelu vie yhä enemmän energiaa ja mistä sen kaiken energian saa, jos toimii paristovoimalla?
Kuinka paljon energiaa sitten tarvitaan? Tämä riippuu verkkotekniikasta. Zigbeessä yhden bitin siirtäminen vaatii 100 nnaojoulea, BLE:ssä eli vähävirtaisessa Bluetoothissa noin 50 nanojoulea ja Wifissä 3,7 nanojoulea. - Tämä tarkoittaa, että IoT-laitteissa käytetty radio kuluttaa valtaosan energiasta, Koskinen muistutti.
-3G ja 4G ovat pahempia. NB-IoT ei auta, sen kulutus on Bluetoothin luokkaa.
IoT-laitteissa logiikka, siis mikroprosessori, kuluttaa energiaa vain noin 50 pikojoulea. – Tätä voidaan kuitenkin pienentää nykyisestä. Väitän, että voimme pienentää sen kymmenesosaan nykyisestä. Tämä muuttaisi kokonaan IoT-laitteiden suunnittelun, Koskinen hehkutti.
Miten tähän päästään? – Logiikalle on minimienergiapiste. Energia on jännitteen neliö. Suurissa järjestelmissä puhutaan 3-5 voltista, piirien sisällä noin yhdestä voltista. Jos mennään sen alle, 0,25-0,3 volttiin, ollaan lähellä miminiä. Sen alemmaksi ei päästä.
Koskisen esimerkissä Arm Cortex-M4-prosessori yltää noin gigahertsin kellotaajuuteen, jos sitä ajetaan 1,1 voltin jännitteellä. Jos jännite lasketaan 0,4 volttiin, akusta saadaan toiminta-aikaa 14-kertainen määrä. Tällöin prosessorin kellotaajuus laskee 10 megahertsiin.
- Riittääkö 10 megahertsiä mihinkään? No kyllä. Esimerkiksi äänen perusteella tapahtuvaan laitteen heräämiseen eli ns. voice-wakeuppiin, Koskinen selvensi. Hey, Alexa- ja OK Google -tyyppiset algoritmit toimivat alle 10 megahertsin kellolla. Parhaat BLE-radiot toimivat jo 30 megahertsin kellotaajuudella, Koskinen kertoi.
Piirin suorituskyky nousee hyvin jyrkästi, jos jännitettä nostetaan lähellä minimienergiapistettä. – Silti energiankulutus nousee maltillisesti.
Perinteisessä logiikassa, jota markkinoilla on tällä hetkellä, tilanne on aivan päinvastainen. – Suorituskyky ei juuri nouse, mutta jännitteen nostaminen kasvattaa energiankulutusta hyvin jyrkästi.
Miniman ratkaisu ongelmaan on jännitteen adaptiivinen säätäminen. Miniman IP muuttaa prosessoria verkkolistatasolla. – Emme muuta prosessoriarkkitehtuuria, mutta prosessorille sulautetaan monitoreita. Näistä palaute syötetään takaisin prosessorin kellolle, joka joissakin tapauksissa hidastuu. Tällöin jännitettä pitää nostaa, jotta saadaan sovelluksen vaatia kellotaajuus käyttöön.
Laitetason detektorien tai monitorien lisäksi tarvitaan ohjelmisto, joka säätää ja sovittautuu järjestelmän suorituskykytarpeisiin RTOS-tasolla eli käytännössä FreeRTOS- tai Linux-tasolla.
Miniman anti IoT-laitteille on mahdollisuus pysyttäytyä minimijännitteessä ja pienimmällä mahdollisella tehonkulutuksella niin, että laite pystyy edelleen reagoimaan keskeytyksiin, kuten OK Google -tyyppisiin komentoihin. Tällä hetkellä tätä tekniikkaa testataan ja optimoidaan Arm:n kanssa Cortex-M4-prosessorille.
Lauri Koskinen mukaan lähiaikoina voidaan toivottavasti uutisoida lisäasiakkaista. Näiden myötä Minima pystyy rahoittamaan jatkokehityksen ja öaajentamaan prosessoriarkkitehtuuritukemaan sekä Arm-perheen sisällä että sen ulkopuolelle.
Lauri Koskinen ECF-keynote on kuultavissa Embedded Conference Finlandin Youtube-kanavalla.
