PowerWise e il futuro dell’energia

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Da diversi anni National Semiconductor sviluppa prodotti che forniscono un livello di prestazioni elevato a fronte di consumi di potenza ridotti. Si tratta dei componenti PowerWise, che si ritrovano in ogni famiglia, dagli amplificatori operazionali ai convertitori dati ad alta velocità.


La civiltà tecnologica di oggi è guidata dall'energia - immagazzinata o catturata, essa è necessaria per azionare le nostre macchine. Senza energia e senza il metodo opportuno per convertirla in potenza utile, gran parte del nostro mondo tecnologico cesserebbe di funzionare. Nel 1998, William A. Smith osservò: “L'ingegneria è la scienza dell'economia, della conservazione dell'energia, cinetica e potenziale, fornita e immagazzinata dalla natura per essere usata dall'uomo. È compito dell'ingegneria quello di utilizzare questa energia per ottenere il massimo vantaggio, di modo che ci sia il minor spreco possibile.”
È stato notato persino all'inizio del ventesimo secolo che era buona prassi ingegneristica essere risparmiosi con le risorse disponibili. Oggi, è diventato un requisito. Nella progettazione elettronica moderna, la potenza è una materia prima che è finita. Inoltre, molta della potenza che aziona l'elettronica finisce per essere sprecata come calore e non fornire lavoro utile. Pensate ai sistemi Internet e all'infrastruttura cellulare. Una blade server farm di grandi dimensioni può alloggiare oltre 10.000 computer, ciascuno dei quali usa circa 200 Watt di potenza, per non parlare dell'aria condizionata richiesta per pompare il calore dissipato al di fuori degli edifici. Aggiungete i requisiti futuri per il video streaming e i numeri sulla potenza salgono alle stelle. Questo schema di aumento dei consumi di potenza continuerà, dal momento che più Paesi aumenteranno le risorse disponibili per le loro popolazioni.

Tenendo presente questa tendenza, National Semiconductor ha continuamente sviluppato prodotti che forniscono un livello di prestazioni a fronte di consumi di potenza ridotti. Si tratta della marca PowerWise - dei prodotti che hanno rapporti eccezionali fra prestazioni e potenza. I componenti PowerWise possono essere trovati in ogni famiglia di prodotti di National Semiconductor, dagli amplificatori operazionali ai convertitori dati ad alta velocità, dai dispositivi per le comunicazioni ai regolatori di potenza. Ma che cosa rende un dispositivo PowerWise? Iniziamo con il valutarne i parametri.

Il rapporto prestazioni-consumi

Un parametro semplice per un'automobile è dato dai chilometri per litro o prestazioni Km/l. Al crescere del costo del gasolio e della benzina (il nostro attuale mezzo di infrastruttura per l'immagazzinamento dell'energia portatile), questo metro di valutazione diventa più importante. Questo è lo stesso concetto del rapporto fra prestazioni e potenza. Ciò può significare due cose per un ingegnere - un consumo di potenza e una generazione di calore dissipato inferiori, o prestazioni superiori a fronte dello stesso consumo di potenza.
L'ovvio vantaggio che deriva dal fatto che la potenza è inferiore è un risparmio maggiore (una spesa inferiore per l'energia) o una durata della batteria superiore (ad esempio un tempo di riproduzione superiore per un lettore di musica portatile). Un vantaggio non così ovvio è dato da una maggiore vita utile a causa di un'usura sull'elettronica più limitata per il calore. I dispositivi su semiconduttore sono soggetti a fatica in presenza di temperature elevate. Minore sarà la temperatura ambiente, più lunga sarà la vita utile che un prodotto fornirà. Questo può anche portare a una riduzione dei costi grazie al fatto che i periodi fra una sostituzione e l'altra sono più lunghi.
In altri casi, un nuovo progetto potrebbe richiedere di essere realizzato con le risorse precedenti (spazio, potenza, limiti sul calore dissipato, ecc.). Un esempio classico potrebbe essere un set top box via cavo. Lo spazio fisico è lo stesso o inferiore rispetto al modello precedente, la potenza (che è legata direttamente al calore dissipato) è la stessa o inferiore, tuttavia i requisiti del progetto probabilmente specificano un livello superiore di prestazioni (ad esempio, un Stb classico a definizione standard che ora sta passando alla tecnologia HdTv e aggiungendo la funzione Dvr). Questa modifica al progetto è una sfida per il fatto che le risorse non sono cambiate - la potenza e lo spazio fisico rimangono le stesse. Se il progettista riesce a risolverla, saranno necessari componenti a prestazioni superiori che usano la stessa energia o inferiore. Questo è il vantaggio dell'aumento del rapporto fra prestazione e potenza.

Architettura e processo

National Semiconductor ha compreso da molti anni l'importanza della tecnologia di processo - non solo per ottenere una qualità conformemente superiore, ma anche per avere prestazioni superiori a fronte di consumi più ridotti. National è stata pioniere con il primo amplificatore operazionale Cmos sul mercato e anche in qualità di ideatore dei dispositivi di comunicazione Lvds (Low Voltage Differential Signaling). I processi a larga banda e a basse perdite sono essenziali per fornire ottime prestazioni nei dispositivi su semiconduttore. Ma questa è solo metà della storia.
Le tecniche e la proprietà intellettuale che rendono operativo il dispositivo sono importanti tanto quanto i processi stessi. Ad esempio, il più recente Adc Giga sample a velocità ultra alta della famiglia PowerWise, l'ADC083000, usa una nuova topologia di convertitore di tipo folding (con pre-elaborazione analogica del segnale) che riduce considerevolmente la potenza richiesta per campionare 3 Giga sample al secondo con meno di 2 Watt. Questa è un'architettura che riduce notevolmente il consumo di potenza rispetto ad altre architetture di convertitore come i convertitori flash. L'architettura folding inoltre scala bene, mentre i convertitori flash raddoppiano il proprio consumo di potenza per ciascun bit di risoluzione che è aggiunto.

Il sistema e i componenti

Un altro aspetto importante del parametro del rapporto fra prestazioni e potenza non è sempre chiaro quando si considerano i singoli componenti. Si tratta di come questi componenti consentono di ottenere consumi di potenza inferiori. Un buon esempio di ciò è l'uso di un Supa (Switcher Unit for Power Amplifier). Usando il dispositivo LM3208 in combinazione con il rivelatore di potenza LMV228, la componente di potenza in continua del PA può essere drasticamente ridotta - entrambi questi dispositivi sarebbero considerati PowerWise per il fatto che riducono sistematicamente la potenza in uno stadio di uscita di un terminale cellulare.

Tool per aumentare l'efficienza

Esiste un'altra categoria che rende un dispositivo di National Semiconductor PowerWise, e che è la disponibilità di strumenti per ottimizzare la loro realizzazione. Alcuni componenti richiedono di avere tool per aiutare ad ottenere più facilmente un rapporto fra prestazioni e potenza più alto. Questo si applica principalmente ma non esclusivamente ai regolatori di potenza a commutazione. Webench è un tool di progettazione basato su web che consente all'ingegnere di “selezionare” un livello di prestazioni per i progetti di alimentatori trovando un compromesso con altri parametri (come le dimensioni dei componenti). Un buon esempio di questo è dato dalla quarta generazione della famiglia PowerWise Simple Switcher (come l'LM25576). La famiglia è supportata in ambiente Webench con un controllo per impostare l'efficienza richiesta del sistema.

Proprietà intellettuale e conoscenza dei sistemi

National Semiconductor non solo ha fornito soluzioni per aumentare il rapporto fra le prestazioni e la potenza per le sezioni analogiche dei sistemi, ma anche per i core digitali. Le soluzioni Avs (Adaptive Voltage Scaling) sono state usate nei core digitali che si trovano in molti terminali cellulari. Questa è veramente una soluzione di sistema che opera in combinazione con il processore e con una unità Pmu (Power Management Unit) esterna come l'LP5552. La proprietà intellettuale nel core del processore monitora le prestazioni del sistema e regola adattativamente le tensioni di alimentazione e di polarizzazione per ridurre significativamente il consumo di potenza nel processore digitale anche del 70%. La soluzione Avs PowerWise effettua le regolazioni costantemente in tempo reale per fornire i massimi livelli di prestazioni a fronte dei consumi più bassi, consentendo di ottenere di conseguenza un tempo di funzionamento superiore da una singola carica.
Dato che i processori digitali migrano verso geometrie sempre più piccole, la potenza statica inizierà a superare la potenza dinamica, dato che sempre più transistor sono impacchettati in uno spazio sempre più piccolo. Gli ingegneri di processo lottano in continuazione per trovare modi per ridurre le perdite interne che erano gestibili con le geometrie più grandi (superiori ai 90 nm). La soluzione Avs PowerWise può essere applicata per questi problemi, al fine di ridurre notevolmente la potenza statica e di aumentare il tempo di funzionamento (nei sistemi alimentati a batteria), o di ridurre la dissipazione di potenza complessiva.

I progetti di riferimento

I progetti di riferimento sono importanti allo scopo di fornire agli ingegneri un modello per le buone prassi di progettazione, specialmente quando essi cercano di aumentare le prestazioni senza aumentare i consumi. In questi progetti di riferimento sono disponibili molti degli aspetti più difficili nella progettazione, come la scelta del componente più adatto e il piazzamento, il layout e il routing.
Basandosi sulle conoscenze acquisite aiutando i clienti a creare sistemi analogici ad alte prestazioni, National Semiconductor fornisce una libreria di progetti di riferimento, i quali illustrano le prestazioni migliori di sistema. Un esempio è dato dall'ultima aggiunta a questa libreria - il progetto di riferimento relativo all'ADC083000, che non solo mette a punto un front end analogico completo di uno strumento di misura (ad esempio un oscilloscopio, un Ate, ecc.), ma usa anche il nuovo driver differenziale LMH6555 da 1,2 GHz come parte della catena di segnale. Questo componente, in combinazione con il nuovo convertitore dati PowerWise a velocità ultra alta ADC083000 e con le soluzioni di temporizzazione, fornisce un punto di partenza per i progettisti impegnati nel progettare la strumentazione.

Il futuro: dall'email al video streaming

Per avere un buon esempio di quanto la tecnologia PowerWise sia importante, seguiamo le tendenze sui dati. Agli inizi (all'incirca negli anni '90), la rete Internet era usata per trasferire piccoli file e prevalentemente email. Le email di allora contenevano solo testo e l'http stava solo iniziando ad essere usato per supportare contenuti ricchi in codifica html. All'emergere del www e con l'inizio delle attività di e-commerce, Internet ha iniziato a spostare una quantità molto superiore di traffico dati, incluse le foto ed i contenuti estremamente ricchi. Una volta che è stato trovato un metodo semplice per comprimere l'audio (Mpeg 1 Strato 3 o MP3), anche l'audio è stato distribuito, assorbendo la banda disponibile e portando i consumatori a trovare connessioni ad Internet più veloci.
Oggi assistiamo all'emergere di un nuovo tipo di contenuto che consuma la banda, detto streaming video. I dati resi noti di recente da Ellacoya Networks nel giugno 2007, mostravano che YouTube rappresentava il 10% dell'intero traffico Internet. Questa è la prima volta che il traffico basato su protocollo http ha superato le applicazioni Peer to Peer come le e-mail. Dato che i consumatori richiedono più reti Video over IP, questo non solo impatterà sulle infrastrutture, ma anche sui dispositivi finali. La riproduzione in tempo reale (streaming) del video in mobilità è molto impegnativa e richiede non solo la decompressione, ma anche il video di alta qualità. Aggiungete la compressione locale per inviare il video in tempo reale (che ora appare in molti terminali), e quindi la potenza è ancora una volta consumata per le funzionalità aggiuntive.
In un futuro non molto distante, flussi di video con audio costituiranno il normale traffico trovato in Internet. Gran parte dei dispositivi portatili supporteranno la registrazione e la riproduzione del video, come pure la sua riproduzione in tempo reale (streaming), la quale richiederà anche una latenza ridotta e una disponibilità di banda elevata. Tutte queste caratteristiche necessitano di potenziamenti consistenti nelle infrastrutture e nella potenza di elaborazione locale. Questo è il motivo per cui il rapporto fra prestazioni e potenza è così importante.

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