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Microprocesador establece nueva marca de consumo bajo de energía con una modalidad de reposo extrema

Microchip sets low-power record with extreme sleep mode

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ANN ARBOR, Michigan—Un microprocesador desarrollado en la Universidad de Michigan usa 30.000 veces menos energía en su modalidad de reposo y 10 veces menos en su modalidad activa que los microprocesadores ahora comparables en el mercado.
El procesador Phoenix, que establece una nueva marca de bajo consumo de energía, se diseñó para el empleo en aparatos de avanzada activados por sensores tales como implantes médicos, controles de ambiente y equipo de vigilancia.

El procesador consume apenas 30 picovatios en su modalidad de reposo. Un picovatio equivale a una billonésima de vatio. En teoría la energía almacenada en una batería para reloj sería suficiente para mantener el Phoenix en operación durante 263 años.

Scott Hanson, estudiante doctorado en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencia de Computadoras, presentará el diseño el 20 de junio en el Simposio del Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos sobre Circuitos VLSI (la sigla en inglés para integración en escala muy grande). Hanson dirige este proyecto de manera conjunta con Mingo Seok, estudiante doctorado en el mismo departamento.

Phoenix mide un milímetro cuadrado. No hay algo de especial en su tamaño ya que muchos sensores y artefactos electrónicos modernos miden un milímetro cuadrado o menos. Pero Phoenix es del mismo tamaño que su batería fina como una película y esto marca un logro importante.

En muchos casos las baterías son mucho más grandes que los procesadores a los que alimentan de energía y esto expande drásticamente el tamaño y el costo del sistema entero, dijo David Blaauw, profesor en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de Computadoras. Por ejemplo la batería en una computadora portátil es casi 5.000 veces más grande que el procesador y provee solo unas pocas horas de energía.

"El consumo bajo nos permite reducir el tamaño de la batería y, en consecuencia, el tamaño de todo el sistema. Se calcula que nuestro sistema, incluida la batería, es unas 1.000 veces más pequeños que el más pequeño de los sistemas de censores conocido ahora", dijo Blaauw. "Esto podría conducir toda una gama nueva de aplicaciones de sensores".

Un grupo de investigadores de la UM está colocando el Phoenix en un sensor biomédico que controla la presión ocular en pacientes con glaucoma. Los ingenieros creen que procesadores como éste también podrían dispersarse sobre un área para crear una red invisible de sensores que vigilen el agua o el aire o que detecten movimientos. Podrían mezclarse en el concreto para tener información sobre la integridad estructural de los edificios y puentes nuevos. Y podrían alimentar de energía a un robusto marcapasos que podría tomar lecturas más detalladas de la salud de un paciente, dicen los investigadores.

Para lograr ese muy bajo consumo de energía los ingenieros de Phoenix se enfocaron en la modalidad de reposo que es la forma en que los sensores pasan más del 99 por ciento de sus vidas. Los censores se "despiertan" solo brevemente para hacer trabajo de computación a intervalos regulares.

"La modalidad de reposo domina en los censores de manera que diseñamos este artefacto de punta a punta manteniendo una eficiente modalidad de reposo como la meta número uno. Eso no se había hecho antes", dijo Denis Silvester, profesor asociado en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de Computadoras.

El sistema pasa a reposo por omisión. Un temporizador de baja energía funciona como un reloj despertador en reposo limitado perpetuo, y despierta al Phoenix cada diez minutos durante una décima de segundo para el cumplimiento de un conjunto de 2.000 instrucciones. La lista incluye la verificación del sensor para la recolección de los datos nuevos, su procesamiento, compresión en una especie de taquigrafía y la clasificación antes de volver al reposo.

El sistema
El temporizador "no es un reloj atómico", dijo Hanson. "Marcamos el tiempo a 10 minutos más o menos unas pocas décimas de segundo. Para las aplicaciones para las cuales se ha diseñado esto, eso está bien. Uno no necesita precisión absoluta en un sensor. Hemos canjeado eso por un enorme ahorro en la energía".

Un diseño único de compuerta de energía es parte importante de la estrategia del reposo. Las compuertas de energía impiden que la corriente eléctrica llegue a las partes del microprocesador que no son esenciales durante el reposo de la memoria.

En los procesadores típicos más avanzados las compuertas de energía son amplias y de poca resistencia de manera que permiten el paso de tanta energía como sea posible cuando se enciende el aparato. Estos microprocesadores se despiertan rápidamente y funcionan velozmente, pero cuando están en la modalidad de "sueño" se escapa una significativa cantidad de corriente eléctrica.

Los ingenieros del Phoenix usaron compuertas de energía mucho más estrechas que restringen el flujo de corriente eléctrica. Esa estrategia, apareada con el uso deliberado de una tecnología de procesamiento más vieja, redujo las pérdidas de energía.

"Una compuerta de energía de un tamaño tan pequeño es algo de lo cual no se había escuchado en el diseño tradicional dado que limita gravemente el desempeño de un procesador", dijo Seowk.

Para resolver esta pérdida en el desempeño el equipo de Michigan incrementó el voltaje de operación del microprocesador, aumentando la energía básica en aproximadamente el 20 por ciento cuando el procesador está "despierto". Pero Phoenix sigue operando con 0,5 voltios en lugar de los 1 a 1,2 voltios requeridos por los microprocesadores típicos.

Contact: Laura Lessnau

Courtesy: University of Michigan Health System

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