L’ottimizzazione della potenza è il tentativo di ridurre la potenza consumata dai dispositivi digitali come i circuiti integrati bilanciando parametri come dimensioni, prestazioni e dissipazione del calore. È un’area molto critica della progettazione di componenti elettronici perché molti dispositivi elettronici portatili richiedono un’elevata capacità di elaborazione con un basso consumo energetico. I componenti devono svolgere funzioni complesse ma generare il minor calore e rumore possibile, il tutto racchiuso su una superficie molto piccola. L’ottimizzazione della potenza è un’area di ricerca intensiva del design digitale, vitale per il successo commerciale di molti dispositivi.
L’idea di ottimizzare la potenza nella progettazione elettronica ha iniziato ad attirare l’attenzione alla fine degli anni ‘1980 con l’uso diffuso di dispositivi portatili. La durata della batteria, gli effetti del riscaldamento e i requisiti di raffreddamento sono diventati molto importanti per ragioni sia ambientali che economiche. Il montaggio di componenti sempre più complessi su chip di dimensioni più piccole è diventato fondamentale per garantire la produzione di dispositivi più piccoli con più funzionalità. Il calore generato dall’inclusione di così tanti componenti, tuttavia, è diventato un grosso problema. Anche fattori come le prestazioni e l’affidabilità del dispositivo sono influenzati dal calore.
Per ridimensionare i chip, ridurre le dimensioni del die e avere ancora prestazioni di picco a livelli di temperatura accettabili, è necessario investire tempo in metodologie di ottimizzazione della potenza. L’ottimizzazione manuale della potenza diventa impossibile con i chip esistenti come i circuiti integrati perché contengono milioni di componenti. In genere, i progettisti ottengono l’ottimizzazione della potenza limitando lo spreco di energia, che è principalmente speculazione, architettura e spreco di programma. Tutti questi metodi cercano di ridurre lo spreco di energia dal livello di progettazione del circuito all’esecuzione e all’applicazione.
Lo spreco di programma si verifica quando un microprocessore di fascia alta esegue comandi che non sono necessari. L’esecuzione di questi comandi non modifica il contenuto della memoria e dei registri. Eliminare gli sprechi di programma significa ridurre l’esecuzione di istruzioni morte ed eliminare i negozi silenziosi. Lo spreco di speculazione si verifica quando il processore recupera ed esegue istruzioni oltre i rami irrisolti. Lo spreco architettonico si verifica quando strutture come cache, predittori di rami e code di istruzioni sono troppo grandi o troppo piccole.
Per lo più progettate per contenere grandi quantità, le strutture architettoniche di solito non vengono utilizzate al massimo delle loro capacità. Al contrario, renderli più piccoli aumenta anche il consumo energetico a causa di ulteriori speculazioni. L’ottimizzazione della potenza di successo richiede l’utilizzo di un approccio a livello di sistema selezionando componenti che consumano pochissima energia. Tutte le possibili combinazioni di questi tipi di componenti possono essere esplorate in fase di progettazione. La riduzione della quantità di attività di commutazione necessaria nel circuito garantisce anche un minor consumo di energia.
Alcuni degli altri approcci utilizzati per l’ottimizzazione della potenza includono il clock gating, le modalità di sospensione e una migliore progettazione della logica. Retiming, bilanciamento del percorso e codifica dello stato sono altri metodi logici che possono limitare il consumo di energia. Alcuni progettisti di microprocessori utilizzano anche formati speciali per codificare file di progettazione che inseriscono funzioni di controllo per il risparmio energetico.