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Resumo
Este trabalho científico explora os conceitos e aplicações dos projetos de otimização de circuitos lógicos de baixo consumo de energia. Discute-se o significado desses projetos, suas principais estratégias e como eles são aplicados na prática para atender às crescentes demandas por dispositivos eletrônicos mais eficientes energeticamente.
Introdução:
Com o avanço da tecnologia e a proliferação de dispositivos eletrônicos em nosso cotidiano, a demanda por eficiência energética tornou-se uma preocupação central. Desde smartphones e laptops até dispositivos médicos implantáveis e sistemas de monitoramento ambiental, a eficiência no consumo de energia é crucial para garantir o funcionamento contínuo e sustentável desses dispositivos. Nesse contexto, os projetos de otimização de circuitos lógicos de baixo consumo de energia desempenham um papel fundamental ao desenvolver estratégias e técnicas que reduzem o consumo de energia em circuitos digitais.
Os circuitos lógicos são blocos de construção fundamentais de sistemas digitais, responsáveis por executar operações lógicas e aritméticas. No entanto, eles consomem energia elétrica durante a operação, principalmente devido à comutação de transistores e ao carregamento e descarregamento de capacitâncias. Portanto, otimizar esses circuitos para consumir menos energia é essencial não apenas para prolongar a vida útil da bateria em dispositivos portáteis, mas também para reduzir custos operacionais e minimizar o impacto ambiental associado ao consumo de energia.
.Ao longo deste trabalho, exploraremos os conceitos e aplicações dos projetos de otimização de circuitos lógicos de baixo consumo de energia, destacando sua importância em um mundo cada vez mais dependente de tecnologia e energia eficiente. Analisaremos as principais estratégias de otimização, seus benefícios e desafios, bem como seu impacto em diversas aplicações, desde dispositivos portáteis até sistemas de grande escala. Ao final, esperamos fornecer uma visão abrangente sobre como esses projetos estão moldando o futuro da tecnologia e contribuindo para um mundo mais sustentável.
Os projetos de otimização de circuitos lógicos de baixo consumo de energia
Os projetos de otimização de circuitos lógicos de baixo consumo de energia são esforços de engenharia e pesquisa voltados para o desenvolvimento de estratégias e técnicas que minimizam o consumo de energia em circuitos digitais. Isso é alcançado através da aplicação de técnicas de design e otimização que visam reduzir tanto o consumo de energia estática quanto dinâmica dos circuitos.
Para que Servem:
1. Prolongar a vida útil da bateria: Em dispositivos alimentados por bateria, como smartphones, laptops e dispositivos médicos portáteis, a otimização de baixo consumo de energia ajuda a prolongar a vida útil da bateria, permitindo que os dispositivos funcionem por mais tempo entre as recargas.
2. Reduzir custos operacionais: A redução do consumo de energia em circuitos lógicos resulta em menor consumo de energia elétrica durante a operação, o que pode levar a economias significativas nos custos operacionais, especialmente em grandes instalações que consomem muita energia.
3. Minimizar o impacto ambiental: A otimização de baixo consumo de energia contribui para a redução do consumo global de energia elétrica, o que por sua vez ajuda a diminuir o impacto ambiental associado à geração de eletricidade, incluindo emissões de gases de efeito estufa.
a otimização de baixo consumo de energia em dispositivos IoT contribui para a minimização do impacto ambiental.
Redução do Consumo de Energia Elétrica:
 - Ao otimizar o consumo de energia dos dispositivos IoT, reduz-se a demanda geral por eletricidade.
 - Isso leva a uma diminuição na quantidade de energia elétrica que precisa ser gerada, distribuída e consumida.
Impacto na Geração de Energia:
 - A geração de energia elétrica, especialmente a partir de fontes não renováveis, como carvão e gás natural, tem um impacto significativo no meio ambiente.
 - Essa geração de energia envolve a extração, transporte e queima desses combustíveis fósseis, resultando em emissões de poluentes, como dióxido de carbono, óxidos de nitrogênio e partículas.
 - Ao reduzir o consumo de energia elétrica, diminui-se a demanda por essa geração de energia, o que leva a uma redução nas emissões de poluentes e no impacto ambiental associado.
Impacto na Infraestrutura Elétrica:
 - A construção e manutenção da infraestrutura elétrica, como usinas de energia, linhas de transmissão e subestações, também têm um impacto ambiental.
 - Essa infraestrutura requer a utilização de recursos naturais, como metais e minerais, além de gerar resíduos durante a construção e operação.
 - Ao reduzir o consumo de energia elétrica, diminui-se a necessidade de expansão dessa infraestrutura, evitando o impacto ambiental adicional.
 Impacto no Ciclo de Vida dos Dispositivos:
 - A otimização de baixo consumo de energia também se reflete no ciclo de vida dos dispositivos IoT.
 - Dispositivos com menor consumo de energia geralmente têm uma vida útil mais longa, reduzindo a necessidade de substituição frequente e, consequentemente, a geração de resíduos eletrônicos.
 - Isso contribui para a redução do impacto ambiental associado à fabricação, transporte e descarte desses dispositivos.
 Efeito Multiplicador:
 - A otimização de baixo consumo de energia em dispositivos IoT não se limita apenas a esses dispositivos individuais.
 - Quando aplicada em larga escala, essa otimização pode levar a uma redução significativa no consumo de energia elétrica em todo o ecossistema IoT, amplificando o impacto positivo no meio ambiente.
Portanto, a otimização de baixo consumo de energia em dispositivos IoT é uma estratégia abrangente que contribui para a minimização do impacto ambiental em várias frentes, desde a redução das emissões de gases de efeito estufa até a conservação de recursos naturais e a diminuição da geração de resíduos eletrônicos. Essa abordagem é fundamental para promover a sustentabilidade e a responsabilidade ambiental no desenvolvimento e implantação de soluções IoT.
4. Facilitar o design de dispositivos portáteis: Em dispositivos eletrônicos portáteis e embarcados, onde o espaço e a energia são recursos limitados, a otimização de baixo consumo de energia é essencial para garantir o funcionamento eficiente e prolongado do dispositivo sem a necessidade de recargas frequentes.
Revolução da Integração: GaAs no IC Design
1. Introdução aos circuitos integrados
Os circuitos integrados (ICs) revolucionaram o mundo da eletrônica, permitindo a criação de sistemas eletrônicos complexos menores, mais rápidos e mais eficientes do que nunca.Um IC é essencialmente um pequeno circuito eletrônico que contém um grande número de transistores, capacitores e resistores interconectados em uma única peça de silício ou outro material semicondutor.A integração desses componentes em um único chip possibilitou a localização de mais funcionalidades em espaços menores, reduzindo o tamanho e o custo dos dispositivos eletrônicos e melhorando seu desempenho.
Nesta seção, forneceremos uma introdução aos circuitos integrados, discutindo seu histórico, tipos e aplicações.
1. História de circuitos integrados
A história dos circuitos integrados remonta ao final da década de 1950, quando Jack Kilby, da Texas Instruments, e Robert Noyce, do Semicondutor Fairchild, inventaram independentemente o primeiro circuito integrado.A invenção de Kilby era um IC monolítico, que consistia em todos os componentes do circuito em uma única peça de germânio.A invenção de Noyce era um IC planar, que usava uma bolacha de silício e uma camada de metal para conectar os componentes do circuito.
2. Tipos de circuitos integrados
Existem vários tipos de circuitos integrados, incluindo ICs analógicos, digitais e de sinal misto.Os ICs analógicos são usados para processar sinais contínuos, como os encontrados em aplicativos de áudio e vídeo.Os ICs digitais, pormenor que a frequência do sinal fechado, então esta técnica resultaria em economia geral de energia. A vantagem é mais pronunciada no caso em que um grupo de sinais compartilha um controle comum, como em um barramento ou em uma rede de árvore de relógio. Portanto, os candidatos ideais para controle de sinal são barramentos de endereço/dados, sinais de clock ou linhas de sinal com alta frequência ou falhas.
C. Codificação Lógica
Outro grau de liberdade vem dos vários esquemas de codificação lógica, disponíveis para escolha, para um projetista lógico, sem qualquer alteração nas especificações funcionais gerais [. Por exemplo, um contador de 8 bits pode ser implementado usando a sequência de contagem binária ou a sequência de código Gray. As compensações de potência, atraso e área são diferentes para várias implementações de codificação lógica.
Contagem de Código Binário
versus Gray Considere dois contadores de n bits implementados com sequência de contagem de código binário e cinza. Num ciclo de contagem completo, o número de transições de um contador binário é Bn= 2(2n- 1) (1) 
Por exemplo, o ciclo de contagem binária de 2 bits 00, 01, 10, 11, de volta a 00, tem 1+2+1+2= inversões de 6 bits. No entanto, como uma sequência de código Gray tem apenas uma inversão de bits em cada incremento de contagem, o número de transições em uma sequência de contagem completa é Quando n é grande, o contador Gray tem a vantagem de ter metade do número de transições, em comparação com um contador binário, o que se traduz diretamente em um consumo de energia proporcionalmente menor no contador Gray.
Codificação de inversão de barramento A codificação invertida de barramento é uma técnica de codificação de baixa potência adequada para um conjunto de sinais síncronos paralelos, por exemplo, barramentos offchip. A técnica de codificação invertida de barramento é mostrada na Fig. 2. A cada ciclo de clock, o transmissor de dados examina os valores atuais e os próximos valores do barramento e decide se o envio do sinal verdadeiro ou de elogio leva a menos alternâncias. Como os sinais de dados no barramento podem ser complementados, um sinal de polaridade adicional é enviado ao receptor do barramento para decodificar os dados do barramento adequadamente. Por exemplo, se o valor atual do barramento for 0000 e o próximo valor for 1110, ele enviará o complemento do próximo valor, 0001, e confirmará o sinal de polaridade. A afirmação do sinal de polaridade diz ao receptor para inverter os sinais recebidos. A sobrecarga associada à técnica de inversão de barramento é obviamente a área adicional, a potência e, às vezes, o atraso de propagação para implementar a lógica de decisão de polaridade, as portas de inversão/ passagem e o sinal de polaridade. Se a capacitância do barramento for grande o suficiente, a economia de energia obtida com a redução da comutação do sinal do barramento compensará a dissipação de energia adicional exigida pela polaridade e pela lógica invertida. A decisão de projeto para aplicar a técnica de inversão de barramento depende das estatísticas do sinal e do overhead associado à polaridade.
lógica de decisão, o sinal de polaridade e as portas de inversão/passagem. Com o uso de síntese lógica automatizada, esta decisão pode ser facilmente tomada implementando o esquema de barramento invertido e comparando suas especificações de projeto com o barramento normal. Em geral, a codificação invertida de barramento adicionaria uma quantidade significativa de circuito aéreo à implementação final e, portanto, é usada apenas em casos onde as capacitâncias de barramento são grandes, particularmente no caso de barramentos fora do chip. Além disso, como o número máximo de transições no barramento é reduzido de n para n/2, esta técnica é adequada quando a corrente de pico precisa ser reduzida.
d. Codificação de Máquina de Estado
Uma máquina de estados é um modelo de computação abstrato que pode ser facilmente implementado usando lógica booleana e flip-flops, como mostrado na Fig.2
O gráfico de transição de estado é uma descrição funcional de uma máquina de estado que especifica as entradas e saídas da máquina sob um determinado estado e sua transição para o próximo estado. O primeiro passo de um processo de síntese de máquina de estado é alocar o registrador de estado e atribuir códigos binários para representar os estados simbólicos. Este processo é chamado de codificação de uma máquina de estados. A codificação de uma máquina de estados é um dos fatores mais importantes que determinam a qualidade (área, potência, velocidade, etc.) dos circuitos em nível de porta.
E. Lógica de pré-computação
A otimização lógica de pré-computação é um método para trocar área por energia em um circuito digital síncrono. O princípio da lógica de pré-computação é identificar condições lógicas em algumas entradas para uma lógica de combinação que não afete a saída. Como esses valores de entrada são invariantes em relação à saída, as transições nessas linhas de entrada podem ser desabilitadas para reduzir as atividades de comutação.
Noções básicas de lógica de pré-computação
Um exemplo de técnica lógica de pré-computação é mostrado na Fig. 4. R1 e R2 são registradores com um clock comum que alimenta um circuito lógico combinacional com uma função booleana conhecida.
f(X). Suponhamos que devido à função booleana f(X), existem alguns casos em que a saída de f(X) é independente do valor lógico de R2. Sob tal condição, podemos desabilitar o carregamento do registro de R2 para evitar atividades de comutação desnecessárias, conservando assim energia. A função booleana f(X) é calculada corretamente porque recebe todas as entradas necessárias de R1. Para gerar o sinal de desabilitação de R2, é necessária uma função lógica de précomputação g(X) que detectará os casos particulares onde f(X) é independente de R2. Um excelente exemplo de lógica de pré-computação é a função Comparadora Binária f(A,B) que calcula A > B, conforme mostrado na Fig. 5. Sejam as entradas A1,…,An e B1,…,Bn sinais de n bits que representam valores binários. A saída f(A,B) é lógica 1 se o valor binário A for maior que B. Portanto, An e Bn, que são os bits mais significativos, podem ser escolhidos como entradas para R1, pois sua comparação pode dar resposta diretamente, independentemente de outros pedaços. Uma função de pré-computação óbvia é g(X) = An (XOR) Bn. Quando An (XOR) Bn = 1, ou seja, os dois bits são diferentes, a saída de f(A,B) pode ser determinada sem os bits de entrada de R2, que podem então ser desabilitados. Porém, quando An (XOR) Bn = 0, R2 não pode ser desabilitado porque seus sinais são necessários para calcular a saída f(A,B). Usando a lógica de pré-computação, os resultados experimentais mostraram até 75% de redução de potência com uma média de 3% de sobrecarga de área e 1 a 5 atrasos de porta adicionais no caminho de atraso do pior caso.
Figura 5. Função comparadora binária usando lógica de pré-computação [1]
Houve outras arquiteturas de pré-computação relatadas com base na decomposição de Shanon, mas essas arquiteturas consomem mais área e atraso em geral, embora a economia de energia possa ser alcançada de forma mais eficiente com a arquitetura de précomputação baseada em decomposição de Shanon [1, 2]. Lógica de pré-computação baseada em travas e portas de transmissão pode ser usada, desde que as condições de armazenamento de carga e imunidade a ruídos permitam.
As etapas básicas do projeto com lógica de pré-computação são as seguintes: 1. Com base na função do sistema f(X), descubra as entradas R1 que podem ser pré-computadas e também as demais entradas R2
3. Determine a função lógica de pré-computação necessária g(X). 4. Avalie a probabilidade da condição de pré-cálculo e as potenciais economias de energia. Entenda também a sobrecarga de potência e área dos circuitos de pré-computação. 5. Várias ferramentas CAD estão prontamente disponíveis, que podem ser usadas para facilitar a estimativa de área e potência da lógica de pré-computação.6. Normalmente, o número de entradas pré-computadas R1 deve ser muito menor do que as entradas controladas R2 para economia líquida de energia
F. Equalização de caminho
Outra técnica comum é a otimização de potência restrita, onde uma rede lógica pode ser transformada para minimizar a potência somente se o comprimento do caminho crítico não for aumentado. Sob esta hipótese, uma técnica eficaz é baseada na “equalização de caminhos”. A equalização de caminho garante que a propagação do sinal das entradas de uma rede lógica até suas saídas siga caminhos de comprimento semelhante. Isto, por sua vez, garantirá que a maioria das portas tenha transições alinhadas em suas entradas, minimizando assim a atividade de comutação espúria (que é criada por transições de entrada desalinhadas). Esta técnica é muito útil principalmente em circuitos aritméticos, como somadores de multiplicadores, que possuem uma estrutura mais modular. Outros circuitos lógicos, como controladores e lógica adesiva, têm suas implementações em nível de porta caracterizadas por uma ampla distribuição de atrasos de caminho, pois são estruturas de rede mais irregulares do que unidades aritméticas. Para estes circuitos de estrutura irregular, a otimização de potência pode ser obtida por “redimensionamento”. O redimensionamento concentra-se em caminhos combinacionais rápidos. O redimensionamento reduzirá o tamanho das portas no caminho rápido, diminuindo assim suas capacitâncias de entrada e tornando o caminho mais lento. Assim, a equalização do caminho é obtida desacelerando os caminhos rápidos e equalizando os atrasos de propagação através de vários caminhos paralelos, reduzindo assim a potência, garantindo comutação espúria conjunta e redução da capacitância. Redimensionar nem sempre significa simples downsizing. O poder também pode ser
Figura 6. Transformações locais: (a) remapeamento, (b) atribuição de fase, (c) troca de pinos [1
reduzido pela ampliação (ou buffer) de portas pesadamente carregadas, para aumentar suas taxas de variação de produção. Transições rápidas também minimizam a potência dinâmica de curto-circuito da porta, que possui uma porta fan-out dimensionada devido a capacitâncias de carga maiores. Na maioria dos casos, o redimensionamento é um problema complexo de otimização que envolve uma compensação entre a potência interna de curto-circuito e a potência de comutação de saída. Outras técnicas de otimização de potência em nível lógico são remapeamento, refatoração, troca de pinos e atribuição de fase. Todas essas técnicas podem ser classificadas como “transformações locais”. Eles são aplicados em netlists de portas e focam em redes com grande capacitância chaveada. A maioria dessas técnicas substitui uma porta, ou um grupo de portas, próximo à rede alvo, de modo a reduzir a capacitância e a atividade de comutação. Da mesma forma que o redimensionamento, as transformações locais devem equilibrar cuidadosamente o curto-circuito e o consumo de energia de saída. A Figura 6 mostra três exemplos de transformações locais. Em (a) é mostrada uma transformação de “remapeamento”, onde um nó de alta atividade (marcado com x) é removido graças a um novo mapeamento em uma porta AND-OR. Em (b), a “atribuição de fase” é explorada para eliminar uma das duas redes de alta atividade marcadas com x. Finalmente, a “troca de pinos” é aplicada em (c) para conectar uma rede de alta atividade com o pino de entrada do NAND de 4 entradas com capacitância de entrada mínima [1].
4. AARQUITETURAeuEVELPPODERÓOTIMIZAÇÃOTTÉCNICAS
Normalmente, em grandes circuitos lógicos, existem certas unidades que não participam da ação durante determinados ciclos de clock. Por exemplo, as unidades aritméticas ou de registro de um microprocessador funcionarão apenas quando tais comandos lógicos forem invocados. A ideia por trás da redução do consumo de energia é desabilitar a lógica que não está em uso durante um determinado ciclo de clock. Esta abordagem reduz o número de atividades de comutação, o que leva à diminuição da capacitância comutada de todo o sistema, reduzindo assim o consumo dinâmico de energia do sistema. Esse tipo de técnica de otimização de energia é categorizada na classe de métodos de gerenciamento dinâmico de energia (DPM). O clockgating é a técnica mais popular usada em muitos circuitos sequenciais para reduzir a dissipação dinâmica de potência. Ele fornece uma maneira seletiva de evitar que o sinal do relógio chegue à unidade de execução enquanto mantém o circuito em estado inativo. A Figura 7 demonstra o diagrama de blocos convencional de um circuito sequencial com estratégia de clockgating. O circuito sequencial padrão é composto por um bloco de lógica combinacional com uma matriz de registradores de estado. A próxima lógica de estado alimenta os registradores de estado ao mesmo tempo que fornece feedback ao bloco combinacional por meio dos sinais de entrada do estado atual. A técnica de clockgating está anexada ao caminho do clock do registro de estado. Supõe-se que a arquitetura acima seja acionada por clock único e os registradores de estado sejam flip-flops acionados por borda. O mecanismo de clock requer duas entradas, uma é um sinal de clock e a segunda é um sinal de habilitação que é gerado usando uma lógica combinacional. O combinacional lógica, Fa, também é controlado pelas mesmas entradas dos registros estaduais. Impede que o relógio acione registros de estado quando não ocorrem transições de estado de entrada ou saída. 
Otimização de Circuitos Lógicos Combinacionais e Sequenciais para Baixa Poder usando pré-computação
Considere o circuito da Figura 1. Temos um bloco lógico combinacional A que é separado por registradores R1e R2. Enquanto R1e R2 são mostrados como registros distintos na Figura 1, eles poderiam, de fato, ser o mesmo registro. Na Figura 2 oDesativação de entrada de subconjuntoarquitetura de pré-computação é mostrada. As entradas do bloco A foram particionados em dois conjuntos, correspondentes aos registradores R1e R2. A saída do bloco lógico A alimenta o registroR3. Duas funções booleanas g1e g2 são aspreditor funções
. Nós exigimos: g1=1⇒f =1
Portanto, durante o ciclo do clocktse qualquer um g1ou g2 avalia para um 1,definimos o sinal de habilitação de carga do registro R2 ser 0.Isto implica que as saídas de R2 durante o ciclo do clock+1não mude. No entanto, como as saídas do registrador R1 são atualizados, a funçãofavaliará o valor lógico correto. Uma redução de potência é alcançada porque apenas um subconjunto das entradas para bloquearAmudança implicando redução da atividade de comutação. A escolha de g1e g2 é crítico. Desejamos incluir tantas condições de entrada quanto pudermos em g1 e g2. Em outras palavras, desejamos maximizar a probabilidade deg1oug2avaliando para um1.Para obter redução na potência com aumentos marginais na área do circuito e no atraso,g1 e g2 deve ser significativamente menos complexo do quef.Estaarquitetura consegue isso fazendo g1e g2 dependem de significativamente menos insumos do que f. Em [1] são fornecidos algoritmos exatos e aproximados para a seleção do subconjunto de entradas de modo que a economia de energia seja maximizada.
3: Novas Arquiteturas de Pré-computação
Descrevemos duas novas arquiteturas de pré-computação, a primeira visando circuitos sequenciais que é mais geral que a arquitetura apresentada na seção anterior, e a segunda visando circuitos combinacionais.
3.1: Nova Arquitetura de Pré-computação Sequencial 
A limitação básica de Desativação de entrada de subconjuntoarquitetura é que, tendo escolhido um subconjunto de entradas para a lógica de pré-computação, só podemos desabilitar os registradores de entrada quando a saída for a mesma paratodos combinações sobre todas as entradas que não estão no subconjunto selecionado. Assim, mesmo que exista apenas uma combinação para a qual isto não seja verdade, não podemos pré-calcular os valores de saída, uma vez que precisamos de saber o valor das variáveis de entrada que não estão na lógica de pré-computação.O Desativação completa de entrada a arquitetura de pré-computação proposta na seção a seguir é capaz de lidar com esses casos. 3.1.1 Arquitetura completa de pré-computação para desabilitação de entrada Na Figura 3 é mostrada a nova arquitetura de pré-computação para circuitos sequenciais. As funções g1 eg 2satisfaça as condições das Equações 1 e 2 como antes. Durante o ciclo do clocktse qualquer um g1ou g2 avalia para um 1,definimos o sinal de habilitação de carga do registro R1 ser 0.Isso significa que no ciclo do clock+1as entradas para o bloco lógico combinacional A não mude. Se g1 avalia para um1 no ciclo do relógiot,a entrada para registrar R2 é um1 no ciclo do relógio+1,e seg2 avalia para um1,então a entrada para registrarR2 é um 0.Observe que g1e g 2 não podem ser ambos 1 durante o mesmo ciclo de clock devido às condições impostas pelas Equações 1 e 2. A importante diferença entre esta arquitetura e aDesativação de entrada de subconjuntoarquitetura mostrada na Figura 2 é que a lógica de pré-computação pode ser uma função de todas as variáveis de entrada, permitindo-nos pré-calcular qualquer combinação de entrada. Temos lógica adicional correspondente aos dois flip-flops marcados FF e a E-OUportão mostrado na figura. Também o atraso entre R1 e R2 aumentou devido à adição deste portão. Observe que para todas as combinações de entrada incluídas na lógica de pré-computação (correspondente ag 1+g2) não vamos usar a saída de f.Portanto podemos simplificar o bloco lógico combinacional A usando essas combinações de entrada como um conjunto de entrada não se importa para f.
3.2: Arquitetura de Pré-computação Combinacional
Dado um circuito combinacional, qualquer subcircuito dentro do circuito original pode ser selecionado. Suponha que este subcircuitotenhanentradaseeusaídas conforme mostrado na Figura 7. Em um esforço para reduzir a comutação 1A suposição aqui é que cadaC〈eu〉eD〈eu〉tem um0,5probabilidade estática de ser um0ou um1
atividade, o algoritmo irá “desligar” um subconjunto donentradas usando o circuito mostrado na Figura 8. A figura mostrapentradas sendo “desligadas”, onde1≤pesses fatores aproximados. Podemos ajustar o valor de α controlando assim quantos cofatores aproximados selecionamos. Quanto mais selecionarmos, mais combinações de entrada estarão na lógica de pré-computação, aumentando assim a fração de tempo que desabilitaremos os registradores de entrada. Por outro lado, a lógica será mais complexa, pois precisaremos de mais variáveis de entrada. (Observe que no caso extremo de α =0,aseleção de entrada será a mesma que em, pois todas as combinações de entrada selecionadas dependem apenas das entradas que estão no subconjuntoD.) Armazenamos o conjunto selecionado correspondente ao valor máximo da função de custo.
4.1.2 Implementando a Lógica 
As operações booleanas deOUe a cofatoração necessária no procedimento de seleção de entrada pode ser realizada de forma eficiente usando diagramas de decisão binária ordenados e reduzidos (ROBDDs). No pseudocódigo da Figura 11 mostramos como obter og1+g2 função. Também precisamos calcular g1 e g2 independentemente. Fazemos isso exatamente da mesma maneira, incluindo em g1 os cofatores correspondentes a probabilidades próximas de 1 e em g2os cofatores correspondentes a probabilidades próximas de 0.
Estudo de Caso:
 Otimização de Circuito Lógico para Sensor de Temperatura IoT de Baixa Potência
Contexto:
Uma empresa de automação residencial desenvolveu um sensor de temperatura inteligente para monitoramento remoto de ambientes. O dispositivo precisava ser alimentado por bateria e ter um consumo de energia muito baixo para maximizar a vida útil da bateria.
Desafio:
O circuito lógico inicial do sensor de temperatura apresentava um alto consumo de energia, reduzindo significativamente a duração da bateria. A equipe de engenharia foi encarregada de otimizar o circuito lógico para reduzir o consumo de energia sem comprometer o desempenho do sensor.
Abordagem:
1. Análise do Consumo de Energia: A equipe realizou medições detalhadas do consumo de energia em cada componente do circuito, identificando os principais consumidores.
2. Otimização do Projeto do Circuito: Foram aplicadas técnicas de otimização de circuito, como:
 - Seleção de componentes de baixo consumo de energia
 - Redução da frequência de clock do microcontrolador
 - Implementação de modos de baixo consumo (sleep, standby, etc.)
 - Otimização do algoritmo de controle para minimizar o tempo de atividade do sensor
3. Validação e Testes: O circuito otimizado foi submetido a testes extensivos para validar o consumo de energia e o desempenho do sensor.
Resultados:
Após a otimização do circuito lógico, o consumo de energia do sensor de temperatura IoT foi reduzido em 65%, aumentando significativamente a vida útil da bateria. O desempenho do sensor, incluindo a precisão e a taxa de amostragem, não foi comprometido.
Lições Aprendidas:
- A análise detalhada do consumo de energia é essencial para identificar os principais consumidores de energia no circuito.
- A aplicação de técnicas de otimização de circuito, como a seleção de componentes de baixo consumo e a implementação de modos de baixo consumo, pode levar a reduções significativas no consumo de energia.
- É importante equilibrar a otimização de energia com o desempenho do dispositivo para atender aos requisitos do projeto.
Esse estudo de caso demonstra a aplicação prática das técnicas e metodologias de otimização de circuito lógico para um dispositivo IoT de baixa potência, resultando em uma melhoria significativa na eficiência energética sem comprometer o desempenho do sensor.
REFERÊNCIAS 
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Estes pontos fornecem uma visão geral dos aspectos essenciais a serem abordados ao discutir projetos de otimização de circuitos lógicos para baixo consumo de energia.
Conclusão:
Os projetos de otimização de circuitos lógicos de baixo consumo de energia representam uma abordagem crucial para lidar com os desafios crescentes relacionados à eficiência energética nos dispositivos eletrônicos modernos. Ao minimizar o consumo de energia em circuitos digitais, esses projetos não apenas atendem às demandas por dispositivos mais eficientes e sustentáveis, mas também abrem caminho para uma série de benefícios adicionais.
Além de prolongar a vida útil da bateria e reduzir os custos operacionais, a otimização de baixo consumo de energia viabiliza a implementação de novas funcionalidades e aplicações em dispositivos portáteis, sistemas embarcados e IoT. Essa eficiência energética também desempenha um papel fundamental na redução do impacto ambiental, contribuindo para a preservação dos recursos naturais e a mitigação das mudanças climáticas.
À medida que continuamos a avançar em direção a um futuro cada vez mais conectado e digital, a importância dos projetos de otimização de baixo consumo de energia só tende a aumentar. Espera-se que a pesquisa e o desenvolvimento nessa área continuem a impulsionar a inovação tecnológica, possibilitando a criação de dispositivos eletrônicos mais eficientes, confiáveis e sustentáveis para atender às necessidades da sociedade moderna.
Portanto, é essencial que os esforços de pesquisa, desenvolvimento e implementação de técnicas de otimização de baixo consumo de energia sejam incentivados e apoiados. Ao fazê-lo, podemos avançar em direção a um futuro onde a tecnologia não apenas nos conecta, mastambém nos capacita a viver de forma mais eficiente e responsável em relação aos recursos energéticos do nosso planeta.
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image8.pngoutro lado, são usados para processar sinais discretos, como os encontrados em computadores e sistemas de comunicação digital.Os ICs de sinal misto combinam circuitos analógicos e digitais em um único chip, tornando-os ideais para aplicações que requerem os dois tipos de processamento.
3. Aplicações de circuitos integrados
Os circuitos integrados são usados em uma ampla gama de aplicações, incluindo eletrônicos de consumo, telecomunicações, automotivo, aeroespacial e dispositivos médicos.Nos eletrônicos de consumo, os ICs são usados em smartphones, tablets, laptops, TVs e consoles de jogos.Nas telecomunicações, os ICs são usados em roteadores, interruptores e estações base.Na indústria automotiva, os ICs são usados em unidades de controle de motores, sistemas de segurança e sistemas de entretenimento.No aeroespacial, os ICs são usados em sistemas de navegação e satélites de comunicação.Em dispositivos médicos, os ICs são usados em marcapassos, aparelhos auditivos e equipamentos de diagnóstico.
4. Vantagens de circuitos integrados
Os circuitos integrados oferecem várias vantagens sobre os circuitos eletrônicos tradicionais.Eles são menores, mais leves e mais confiáveis, tornando-os ideais para aplicações portáteis e com restrições de espaço.Eles também consomem menos energia, reduzindo o tamanho da bateria e estendendo a duração da bateria do dispositivo.Além disso, os ICs são mais econômicos do que os circuitos tradicionais, pois exigem menos material e mão-de-obra para fabricar.
5. Desafios no design de circuitos integrados
O design do circuito integrado é um processo complexo que envolve vários desafios, como consumo de energia, integridade de sinalização e gerenciamento térmico.O consumo de energia é um fator crítico no design do IC, pois afeta a duração e o desempenho da bateria do dispositivo.A integridade do sinal é outro fator crítico, pois afeta a confiabilidade e a funcionalidade do dispositivo.O gerenciamento térmico também é um desafio significativo, pois os ICs geram calor durante a operação, o que pode afetar seu desempenho e vida útil.
Os circuitos integrados revolucionaram o mundo da eletrônica, permitindo a criação de sistemas eletrônicos complexos menores, mais rápidos e mais eficientes do que nunca.Eles oferecem várias vantagens sobre os circuitos eletrônicos tradicionais, incluindo tamanho menor, menor consumo de energia e maior confiabilidade.No entanto, o design do IC é um processo complexo que envolve vários desafios, como consumo de energia, integridade do sinal e gerenciamento térmico.Apesar desses desafios, os circuitos integrados continuam sendo a espinha dorsal dos sistemas eletrônicos modernos, alimentando tudo, desde smartphones e laptops a satélites e dispositivos médicos.
2. Passado e presente
A revolução da integração: passado e presente
A revolução da integração tem sido um divisor de águas no mundo dos eletrônicos.Ele abriu o caminho para o desenvolvimento de circuitos integrados (ICs) que se tornaram a espinha dorsal da tecnologia moderna.A integração de diferentes componentes eletrônicos em um único chip foi possível pelos avanços na tecnologia de semicondutores.Isso levou à miniaturização de dispositivos eletrônicos e os tornou mais eficientes, confiáveis e econômicos.Nesta seção, nos aprofundaremos no passado e no presente da revolução da integração.
1. Os primeiros dias de integração
Os primeiros dias de integração podem ser rastreados até a década de 1950, quando o primeiro IC foi desenvolvido.Esse IC tinha apenas alguns transistores e resistores, mas foi uma conquista significativa.O primeiro IC foi feito de germânio, que mais tarde foi substituído pelo silício devido às suas propriedades superiores.Os primeiros ICs eram simples e tinham funcionalidade limitada.Eles foram usados em aplicações como calculadoras, relógios e pequenos dispositivos eletrônicos.
2. A ascensão de ICs complexos
À medida que a tecnologia de semicondutores avançava, a complexidade dos CIs aumentava.O número de transistores que poderiam ser integrados em um único chip aumentou, levando ao desenvolvimento de ICs complexos.Esses ICs tiveram várias funções e foram capazes de executar uma ampla gama de tarefas.A ascensão de ICs complexos levou ao desenvolvimento de computadores, o que revolucionou o mundo da tecnologia.
3. Nos dias atuais
Hoje, os ICs são parte integrante da tecnologia moderna.Eles são usados em uma ampla gama de aplicações, de smartphones a carros a equipamentos médicos.A miniaturização dos CIs tornou possível desenvolver dispositivos pequenos e portáteis que podem ser transportados em qualquer lugar.A integração de diferentes componentes em um único chip tornou os dispositivos eletrônicos mais confiáveis e eficientes.
4. O futuro da integração
O futuro da integração parece promissor.A integração de diferentes tecnologias, como inteligência artificial, Internet das coisas e 5G, provavelmente levará ao desenvolvimento de ICs mais complexos e sofisticados.Espera-se que a demanda por ICs de alto desempenho aumente, levando ao desenvolvimento de novos materiais e técnicas de fabricação.
5. Comparação de opções
A revolução da integração levou ao desenvolvimento de diferentes tipos de CI, incluindo GaAs ICS.Os GaAs ICs são conhecidos por seu desempenho de alta frequência e alta velocidade, tornando-os adequados para aplicações como comunicação sem fio, radar e comunicação por satélite.Embora os GaAs ICs sejam mais caros que os ICs de silício, eles oferecem desempenho superior em determinadas aplicações.
A revolução da integração transformou o mundo dos eletrônicos.Isso levou ao desenvolvimento de ICs que se tornaram a espinha dorsal da tecnologia moderna.A integração de diferentes componentes em um único chip tornou os dispositivos eletrônicos mais confiáveis, eficientes e econômicos.O futuro da integração parece promissor, e podemos esperar ver ICs mais complexos e sofisticados nos próximos anos.
3. Uma breve visão geral
GaAs: uma breve visão geral
Quando se trata de design de circuito integrado (IC), a escolha dos materiais certos pode fazer toda a diferença.Um desses materiais que ganhou popularidade nos últimos anos é o arsento de gálio (GAAs).GaAs é um composto semicondutor feito de gálio (GA) e arsênico (AS) e é conhecido por sua alta mobilidade de elétrons e características de baixo ruído.Nesta seção, exploraremos os GaAs como um material para o design do IC, suas vantagens e desvantagens e suas aplicações.
1. Vantagens dos GaAs
Uma das maiores vantagens dos GaAs sobre o silício tradicional é sua maior mobilidade de elétrons.Isso significa que os elétrons podem se mover por GaAs mais rapidamente do que podem através do silício, tornando-o ideal para aplicações de alta frequência.Além disso, o GAAs tem uma figura de ruído mais baixa que o silício, o que o torna ideal para aplicações que requerem baixos níveis de ruído, como amplificadores de radiofrequência (RF).
2. Desvantagens dos gaas
Embora o GaAs tenha muitas vantagens, ele também tem algumas desvantagens.Uma das maiores desvantagens dos GaAs é o seu custo.As bolachas de gaas são mais caras que as bolachas de silício, o que pode dificultar as empresas de justificar o uso de GaAs em seus projetos.Além disso, os GaAs são mais difíceis de processar do que o silício, o que pode aumentar o tempo e o custo de fabricação.
3. Aplicações de GaAs
Devido à sua alta mobilidade de elétrons e características de baixo ruído, os GaAs são ideais para uma variedade de aplicações, incluindo amplificadores de RF, circuitos digitais de alta velocidade e optoeletrônicos.GAAs também é usado em células solares e outras aplicações relacionadas à energia.
4. Comparando GaAs com outros materiais
Quando se trata de escolher um material para o design do IC, os GaAs não são a única opção.O silício ainda é o material mais usado para o ICS e tem suas próprias vantagens, como ser mais barato e mais fácil de processar.No entanto, para aplicações que requerem operação de alta frequência ou baixos níveis de ruído, os GaAs podem ser a melhor escolha.4. Vantagens dos GaAs no IC Design
À medida que a tecnologia continua a avançar, a necessidade de circuitos integrados mais rápidos e eficientes (ICS) está se tornando cada vez mais importante.Uma solução promissora é o uso do arseneto de gálio (GAAs) no design do IC.O GAAs é um material semicondutor composto que tem várias vantagens sobre os ICs tradicionais à base de silício.Nesta seção do blog, exploraremos as vantagens do GAAs no design do IC e por que está se tornando uma escolha popular para aplicações de alto desempenho.
1. Mobilidade de elétrons mais alta: Uma das maiores vantagens dos GaAs é sua maior mobilidade de elétrons em comparação com o silício.Isso significa que os elétrons podem se mover pelos GAAs mais rapidamente, resultando em velocidades de comutação mais rápidas e frequências operacionais mais altas.Por exemplo, os ICs baseados em GaAs podem operar em frequências de até 100 GHz, enquanto os ICs baseados em silício são normalmente limitados a cerca de 10 GHz.Isso faz com que os GaAs uma escolha popular para aplicativos de alta frequência, como comunicações por satélite e sistemas de radar.
2. Consumo de energia menor: os CIs baseados em GaAs também têm menor consumo de energia em comparação com os ICs à base de silício.Isso ocorre porque os GaAs têm uma tensão limite mais baixa, o que significa que requer menos energia para ligar e desligar.Isso faz com que os GaAs uma escolha popular para dispositivos movidos a bateria, como smartphones e outros eletrônicos portáteis.
3. Melhor resistência à radiação: outra vantagem dos GaAs é sua melhor resistência à radiação em comparação com o silício.Isso significa que os CIs baseados em GAAs têm menos probabilidade de serem afetados pela radiação, tornando-os ideais para uso em aplicações espaciais e outros ambientes com altos níveis de radiação.
4. Tensão de ruptura mais alta: os ICs baseados em GaAs também têm uma tensão de ruptura mais alta em comparação com os ICs baseados em silício.Isso significa que eles podem lidar com tensões mais altas sem quebrar, tornando -as mais confiáveis e menos propensas a falhas.
5. Integração com outros materiais: os GaAs podem ser facilmente integrados a outros materiais, como fosfeto de índio (INP) e arseneto de gálio de alumínio (AlgaAs).Isso permite a criação de ICs mais complexos com várias camadas e propriedades diferentes, resultando em desempenho e funcionalidade ainda mais altos.
No geral, o GAAs é uma opção promissora para o projeto de IC de alto desempenho devido à sua maior mobilidade de elétrons, menor consumo de energia, melhor resistência à radiação, maior tensão de ruptura e capacidade de integrar-se a outros materiais.Embora os ICs baseados em GAAs possam ser mais caros que os ICs baseados em silício, os benefícios que eles oferecem tornam-os um investimento que vale a pena para aplicativos que requerem alto desempenho e confiabilidade.
5. O que é melhor?
Quando se trata de design de circuito integrado (IC), a escolha do material semicondutor é crucial.Dois dos materiais mais usados no design do IC são arseneto de gálio (GAAs) e silício.Ambos os materiais têm suas próprias características e vantagens únicas, mas qual é melhor?Nesta seção, compararemos GaAs e Silicon e forneceremos informações detalhadas para ajudá-lo a tomar uma decisão informada.
1. Propriedades elétricas
GaAs possui uma mobilidade eletrônica mais alta que o silício, o que significa que pode operar em frequências mais altas.Esta propriedade torna os GaAs ideais para circuitos digitais e aplicações de microondas de alta velocidade.Por outro lado, o silício tem uma menor mobilidade de elétrons, mas uma tensão de ruptura mais alta, o que o torna mais adequado para dispositivos de energia.
2. Custo
O silício é abundante e barato, o que a torna a escolha preferida para a maioria dos designs de IC.Gaas, por outro lado, é mais caro e menos abundante.No entanto, para aplicações de alta frequência, as vantagens de desempenho dos GaAs podem superar o custo.
3. Propriedades térmicas
Os GaAs têm uma condutividade térmica mais alta que o silício, o que significa que pode dissipar o calor com mais eficiência.Esta propriedade torna os GaAs ideais para aplicações de alta potência.O silício, por outro lado, tem uma condutividade térmica mais baixa, mas um ponto de fusão mais alto, o que o torna mais adequado para aplicações de alta temperatura.
4. Integração com outros materiais
O silício é compatível com uma ampla gama de materiais, o que facilita a integração de outros componentes em um IC.Os GaAs, por outro lado, não são compatíveis com alguns materiais, o que pode limitar seu uso em determinadas aplicações.
5. Confiabilidade
O silício tem sido usado no design do IC há décadas e possui um histórico comprovado de confiabilidade.GaAs, por outro lado, é um material relativamente novo e sua confiabilidade a longo prazo ainda está sendo estudada.
A escolha entre GaAs e Silicon depende dos requisitos específicos do design do IC.Para circuitos digitais de alta velocidade e aplicações de microondas, os GaAs são a melhor escolha devido à sua maior mobilidade de elétrons.Para dispositivos de energia, o silício é mais adequado devido à sua maior tensão de quebra.Para a maioria das outras aplicações, o Silicon é a escolha preferida devido à sua abundância, baixo custo e confiabilidade comprovada.
6. Aplicações de GaAs no design do IC
Aplicações de GaAs em design de IC
O arseneto de gálio (GAAs) é um material semicondutor que tem sido usado por décadas na produção de dispositivos eletrônicos, como transistores, diodos e circuitos integrados.Possui propriedades exclusivas que o tornam ideal para uso em aplicações de alta frequência, como comunicação sem fio, circuitos de microondas e dispositivos optoeletrônicos.Nesta seção, exploraremos as várias aplicações do GAAs no design do IC.
1. Circuitos digitais de alta velocidade
GaAs possui uma maior mobilidade de elétrons e velocidade de saturação que o silício, o que o torna um excelente material para circuitos digitais de alta velocidade.Os transistores de GaAs podem alternar a taxas muito mais rápidas que os transistores de silício, tornando-os ideais para uso em circuitos digitais de alta velocidade, como microprocessadores, memória e portões lógicos.O ICS baseado em GaAs pode atingir velocidades de relógio de até 100 GHz, o que é muito maior do que o possível com o ICS baseado em silício.
2. Circuitos de microondas e RF
GaAs também é um material ideal para circuitos de microondas e RF devido à sua alta mobilidade de elétrons e propriedades de baixo ruído.O ICS baseado em GAAs pode operar em frequências mais altas do que os ICs baseados em silício, tornando-os ideais para uso em sistemas de comunicação sem fio, como telefones celulares e comunicação por satélite.Os ICs baseados em GAAs também podem ser usados em sistemas de radar, fornos de microondas e outras aplicações de alta frequência.
3. Dispositivos optoeletrônicos
GAAs também é usado na produção de dispositivos optoeletrônicos, como diodos LED e laser.Os dispositivos baseados em GaAs podem emitir luz nos comprimentos de onda que não são possíveis com dispositivos à base de silício, tornando-os ideais para uso em sistemas de comunicação óptica de alta velocidade.Os dispositivos baseados em GaAs também podem ser usados em sistemas de comunicação de fibra óptica, equipamentos médicos e aplicações militares.
4. Amplificadores de energia
Os GaAs também são um excelente material para amplificadores de energia devido à sua alta tensão de ruptura e alta mobilidade de elétrons.Os amplificadores de energia baseados em GaAs podem operar em frequências mais altas e níveis mais altos de potência do que os amplificadores à base de silício.Os amplificadores de energia baseados em GaAs são usados em comunicação por satélite, sistemas de radar e outros aplicativos de alta frequência.
5. Amplificadores de baixo ruído
Os GaAs também são usados na produção de amplificadores de baixo ruído devido às suas propriedades de baixo ruído.Os amplificadores baseadosem GaAs podem amplificar sinais fracos sem adicionar ruído, tornando-os ideais para uso em sistemas de comunicação e equipamentos médicos.
GaAs é um material versátil que possui muitas aplicações no design do IC.Os ICs baseados em GaAs podem operar em frequências mais altas, níveis mais altos de potência e níveis mais baixos de ruído que os ICs à base de silício, tornando-os ideais para uso em circuitos digitais de alta velocidade, circuitos de microondas e RF, dispositivos optoeletrônicos, amplificadores de potência e baixaamplificadores de ruído.Os ICs baseados em GAAs também são usados em equipamentos médicos, aplicações militares e comunicação por satélite.
5. Viabilizar novas aplicações: A redução do consumo de energia em circuitos lógicos permite o desenvolvimento de novas aplicações e dispositivos que dependem de fontes de energia limitadas ou operam em ambientes remotos onde o acesso à energia elétrica é difícil.
 A otimização de baixo consumo de energia em dispositivos IoT não apenas beneficia o meio ambiente, mas também viabiliza o desenvolvimento de novas aplicações e dispositivos que dependem de fontes de energia limitadas ou operam em ambientes remotos.
 Aplicações em Ambientes Remotos:
 - Muitas aplicações IoT são implantadas em áreas remotas, onde o acesso à rede elétrica convencional pode ser difícil ou inexistente.
 - Nesses casos, a otimização de baixo consumo de energia é essencial para permitir o funcionamento desses dispositivos, que precisam operar com fontes de energia limitadas, como baterias ou células solares.
 - Exemplos incluem sensores ambientais em áreas florestais, monitoramento de infraestrutura em locais isolados e dispositivos de comunicação em regiões de difícil acesso.
Aplicações Móveis e Portáteis:
 - Dispositivos móveis e portáteis, como wearables e dispositivos de IoT pessoal, dependem de baterias como fonte de energia.
 - A otimização de baixo consumo de energia nesses dispositivos permite que eles operem por mais tempo sem a necessidade de recarregar frequentemente, aumentando a conveniência e a usabilidade para os usuários.
 - Isso abre oportunidades para o desenvolvimento de novos tipos de aplicações móveis e portáteis que antes seriam inviáveis devido às limitações de energia.
Aplicações de Longa Duração:
 - Em algumas aplicações IoT, os dispositivos precisam operar por longos períodos de tempo sem a necessidade de manutenção ou reabastecimento de energia.
 - A otimização de baixo consumo de energia permite que esses dispositivos funcionem por anos, sem a necessidade de substituição frequente de baterias ou conexão à rede elétrica.
 - Exemplos incluem sensores de monitoramento ambiental, dispositivos de rastreamento de ativos e sistemas de automação industrial em locais remotos.
 Redução de Custos Operacionais:
 - A otimização de baixo consumo de energia também pode levar a uma redução nos custos operacionais associados à energia elétrica e à manutenção dos dispositivos.
 - Isso torna as soluções IoT mais acessíveis e viáveis, especialmente em aplicações em larga escala ou em ambientes com restrições orçamentárias.
Sustentabilidade e Responsabilidade Ambiental:
 - O desenvolvimento de aplicações IoT com baixo consumo de energia também contribui para a sustentabilidade e a responsabilidade ambiental.
 - Isso alinha-se com as crescentes preocupações e exigências dos consumidores e reguladores em relação à eficiência energética e ao impacto ambiental das tecnologias.
Portanto, a otimização de baixo consumo de energia em dispositivos IoT é fundamental para viabilizar o desenvolvimento de novas aplicações e dispositivos que dependem de fontes de energia limitadas ou operam em ambientes remotos. Essa abordagem abre oportunidades para soluções inovadoras, aumenta a conveniência e a usabilidade para os usuários, e contribui para a sustentabilidade e a responsabilidade ambiental no ecossistema IoT.
Para fazer um ótimo projecto de otimização de circuitos lógicos de baixo consumo de energia é necessário realizar os seguintes passos
1.Eficiência Energética:
Matérias de eficiência energética: otimizando asics para aplicações de baixa energia
1. Introdução à eficiência energética
A eficiência energética é um tópico quente no mundo hoje e por boas razões.Não é segredo que estamos consumindo mais energia do que nunca e, com a população mundial continuando a crescer, fica claro que precisamos encontrar uma maneira de reduzir nosso consumo de energia se queremos continuar a prosperar.Uma maneira de conseguir isso é através da tecnologia com eficiência energética, e é aí que entram os ASICs. ASICS ou circuitos integrados específicos para aplicativos, são projetados para desempenhar funções específicas com o mais alto nível de eficiência possível.Quando otimizados para aplicações de baixa energia, eles podem causar um impacto significativo no consumo de energia, e é por isso que a eficiência energética é importante quando se trata de ASICS.
Para entender a importância da eficiência energética nos ASICs, é importante examinar mais de perto o que isso significa e como é alcançado.Aqui estão algumas idéias importantes a serem lembradas:
1. A eficiência energética tem tudo a ver com reduzir a quantidade de energia necessária para executar uma tarefa específica.Isso pode ser alcançado através de uma variedade de métodos, incluindo a otimização do design do circuito, reduzindo o consumo de energia durante os períodos ociosos e o uso de modos de economia de energia quando possível.
2. Uma maneira de otimizar o design de um ASIC para eficiência energética é usar o bloqueio do relógio.Essa técnica envolve desligar o sinal do relógio para partes do circuito que não estão sendo usadas, o que pode reduzir significativamente o consumo de energia.
3. Outro método para alcançar a eficiência energética é através do uso de escala de tensão.Isso envolve reduzir a tensão fornecida ao circuito quando não está operando com capacidade máxima, o que pode economizar uma quantidade significativa de energia.
4. Os modos de economia de energia são outra maneira de reduzir o consumo de energia nos ASICs.Esses modos podem ser usados para desligar certos recursos do circuito quando não são necessários, como reduzir o brilho de uma tela quando o dispositivo está ocioso.
No geral, a eficiência energética é uma consideração crítica quando se trata de ASICS e aplicações de baixa energia.Otimizando o design do circuito, reduzindo o consumo de energia durante os períodos ociosos e usando modos de economia de energia quando possível, podemos causar um impacto significativo no consumo de energia e ajudar a criar um futuro mais sustentável.
2. Uma visão geral
Os circuitos integrados específicos de aplicativos (ASICs) existem há décadas e têm sido amplamente utilizados em várias aplicações eletrônicas.Eles foram projetados para uma aplicação ou tarefa específica e são otimizados para desempenho, energia e custo.Os ASICs se tornaram cada vez mais populares devido à sua capacidade de melhorar o desempenho do sistema e reduzir o consumo de energia.No entanto, a otimização do ASICS para aplicações de baixa energia requer uma consideração cuidadosa de vários fatores, como metodologia de design, tecnologia de processo e técnicas de gerenciamento de energia.
Aqui estão alguns pontos -chave a serem considerados ao otimizar as ASICs para aplicações de baixa energia:
1. Metodologia do projeto: a metodologia de design usada para um ASIC pode ter um impacto significativo em seu consumo de energia.Metodologias de design de consciência de energia, como bloqueio de energia, tensão dinâmica e escala de frequência (DVFs) e bloqueio de relógio, podem ser usados para reduzir o consumo de energia.Essas técnicas envolvem desativar seletivamente ou reduzir a fonte de alimentação a certas partes do ASIC quando não são necessárias, o que pode reduzir significativamente o consumo de energia.
2. Tecnologia do processo: a tecnologia de processo usada para fabricar ASICs também pode ter umimpacto significativo em seu consumo de energia.Tecnologias avançadas de processo, como 7nm e 5nm, têm menor consumo de energia em comparação com tecnologias de processo mais antigas, como 28Nm e 40Nm.No entanto, essas tecnologias de processo vêm com seu próprio conjunto de desafios, como aumento da complexidade do projeto, custos de fabricação mais altos e redução do rendimento.
3. Técnicas de gerenciamento de energia: Técnicas de gerenciamento de energia, como reguladores de tensão, interruptores de energia e monitores de energia, podem ser usados para otimizar o consumo de energia dos ASICs.Os reguladores de tensão podem ser usados para regular a tensão fornecida ao ASIC, enquanto os interruptores de energia podem ser usados para ativar seletivamente a energia ou desligar a energia para partes específicas do ASIC.Os monitores de potência podem ser usados para monitorar o consumo de energia do ASIC e ajustar a fonte de alimentação de acordo.
4. Otimização específica do aplicativo: as ASICs são projetadas para aplicativos específicos e otimizando-os para baixo consumo de energia requer uma compreensão profunda dos requisitos de aplicativo.Por exemplo, um ASIC projetado para um dispositivo vestível pode exigir diferentes técnicas de otimização de energia em comparação com um ASIC projetado para um servidor de data center.Ao entender os requisitos específicos do aplicativo, os designers podem otimizar o ASIC para baixo consumo de energia enquanto atende aos requisitos de desempenho.
A otimização do ASICS para aplicações de baixa energia requer uma consideração cuidadosa de vários fatores, como metodologia de design, tecnologia de processo, técnicas de gerenciamento de energia e otimização específica de aplicação.Ao levar em consideração esses fatores, os designers podem criar asics que são otimizados para baixo consumo de energia, atendendo aos requisitos de desempenho do aplicativo.
3. Importância de aplicações de baixa potência
As aplicações de baixa energia estão se tornando cada vez mais importantes no mundo de hoje.Com a proliferação de dispositivos móveis e a Internet das Coisas (IoT), há uma necessidade crescente de dispositivos eletrônicos que consomem menos energia.Ao reduzir o consumo de energia, esses dispositivos podem operar por períodos mais longos sem exigir uma recarga ou substituição de baterias.Além disso, os dispositivos de baixa potência podem ser menores e mais leves, tornando-os mais portáteis e convenientes de usar.Do ponto de vista comercial, os dispositivos de baixa potência também podem economizar dinheiro às empresas, reduzindo a quantidade de energia necessária para alimentar seus produtos.
Então, por que o design de baixa potência é importante?Aqui estão alguns motivos:
1. Vida da bateria mais longa: no mundo sempre ativo de hoje, as pessoas esperam que seus dispositivos trabalhem por longos períodos de tempo sem recarregar.Ao projetar circuitos que consomem menos energia, os fabricantes de dispositivos podem prolongar a duração da bateria e melhorar a experiência do usuário.
2. Impacto ambiental reduzido: o menor consumo de energia significa que menos energia é necessária para alimentar o dispositivo, o que se traduz em uma pegada de carbono menor.Isso é particularmente importante para dispositivos usados em larga escala, como data centers e servidores.
3. Aumento da portabilidade: dispositivos menores e mais leves são mais portáteis e convenientes de usar.Ao reduzir o consumo de energia de um dispositivo, pode ser possível torná -lo menor e mais leve sem sacrificar o desempenho.
4. Economia de custos: o menor consumo de energia pode economizar dinheiro às empresas, reduzindo a quantidade de energia necessária para alimentar seus produtos.Isso pode ser particularmente importante para empresas que fabricam um grande número de dispositivos ou operam data centers.
Para ilustrar a importância do design de baixa potência, considere o exemplo de um rastreador de fitness vestível.Se o rastreador for projetado para consumir muita energia, pode precisar ser carregado todos os dias ou ainda mais frequentemente.Isso pode ser inconveniente para os usuários e pode desencorajá -los a usar o dispositivo.No entanto, se o rastreador for projetado para consumir menos energia, pode ser possível prolongar a duração da bateria para vários dias ou até uma semana.Isso melhoraria a experiência do usuário e tornaria o dispositivo mais atraente para os consumidores.
O design de baixa potência está se tornando cada vez mais importante no mundo de hoje.Ao reduzir o consumo de energia, os dispositivos eletrônicos podem operar por períodos mais longos, serem menores e mais leves e economizar dinheiro com as empresas em custos de energia.À medida que a demanda por dispositivos portáteis e sempre atos continua a crescer, o design de baixa potência se tornará uma consideração essencial para os fabricantes de dispositivos.
4. Técnicas para otimizar a eficiência energética
A otimizar a eficiência energética é um aspecto crítico de projetar circuitos integrados específicos para aplicativos (ASICs) para aplicações de baixa energia.A eficiência energética dos ASICs é um fator essencial a considerar no cenário atual da tecnologia, onde o consumo de energia e o impacto ambiental são preocupações cada vez mais relevantes.O desafio de otimizar a eficiência energética não é apenas uma questão de reduzir o consumo de energia, mas também garantir que o desempenho e a funcionalidade do ASIC não sejam comprometidos.Para atingir esse objetivo, os designers devem explorar várias técnicas e abordagens que lhes permitam otimizar a eficiência energética, mantendo o desempenho e a funcionalidade do ASIC.
Aqui estão algumas técnicas que podem ajudar a otimizar a eficiência energética nos ASICs:
1. Gatagem de energia: essa técnica envolve desativar seletivamente a fonte de alimentação para partes específicas do ASIC quando elas não estão em uso.O bloqueio de energia pode ser implementado usando vários esquemas, como bloqueio de relógio, bloqueio de dados e bloqueio de unidade funcional.Ao desligar a energia para partes não utilizadas do ASIC, o consumo de energia pode ser significativamente reduzido.Por exemplo, um esquema de bloqueio de energia pode ser usado para desligar a fonte de alimentação em um bloco de memória quando não estiver em uso, reduzindo o consumo de energia em até 90%.
2. Escala de tensão: a escala de tensão envolve reduzir a tensão operacional do ASIC para reduzir o consumo de energia.Ao diminuir a tensão, o consumo de energia do ASIC pode ser significativamente reduzido.No entanto, essa técnica pode afetar o desempenho do ASIC, e os designers devem equilibrar cuidadosamente a troca entre consumo de energia e desempenho.
3. Escala de frequência dinâmica: essa técnica envolve ajustar a frequência operacional do ASIC com base na carga de trabalho.Ao reduzir a frequência quando o ASIC está ocioso ou sob carga leve, o consumo de energia pode ser significativamente reduzido.Por outro lado, aumentar a frequência quando o ASIC está sob carga pesada pode melhorar o desempenho.
4. Otimização de cruzamento do domínio do relógio: o cruzamento do domínio do relógio (CDC) é um aspecto crítico do design da ASIC, e a otimização do CDC pode reduzir significativamente o consumo de energia.A otimização do CDC envolve minimizar o número de travessias de domínio do relógio e o uso de esquemas de comunicação assíncronos, como protocolos de solicitação-acenário, para reduzir o consumo de energia.
5. Otimização da memória: o acesso à memória é uma fonte significativa de consumo de energia nos ASICs.Otimizando os padrões de acesso à memória, reduzindo o tamanho dos blocos de memória e o uso de arquiteturas de memória de baixa potência, pode reduzir significativamente o consumo de energia.
Essas são apenas algumas técnicas que podem ajudar a otimizar a eficiência energética nos ASICs.Ao equilibrar cuidadosamente a troca entre consumo de energia, desempenho e funcionalidade, os designers podem desenvolverasics que atendem aos requisitos de eficiência energética das aplicações de baixa energia, mantendo o alto desempenho e a funcionalidade.
5. A solução final para eficiência energética
À medida que continuamos a avançar em direção a um futuro mais sustentável, a eficiência energética se tornou uma das principais prioridades entre as indústrias.Uma área que sofreu avanços significativos nesse sentido é o domínio dos circuitos integrados específicos de aplicativos (ASICS).Uma técnica que emergiu como mudança de jogo para aplicações de baixa potência é o bloqueio de energia.Essa tecnologia fornece um meio de desligar seletivamente blocos específicos de um chip, reduzindo assim o consumo de energia.
O gating de energia funciona inserindo um interruptor entre a fonte de energia e o bloco do chip.Quando o interruptor está aberto, o bloco é desconectado da fonte de energia e nenhuma energia é consumida.Quando o interruptor é fechado, o bloco é reconectado à fonte de energia e pode operar normalmente.A beleza dessa técnica está em sua capacidade de alimentar seletivamente partes do chip que não estão em uso no momento.Isso elimina o consumo desnecessário de energia e estende significativamente a duração da bateria dos dispositivos.
Aqui estão alguns benefícios importantes do bloqueio de energia que o tornam uma opção atraente para aplicações de baixa energia:
Aqui estão alguns benefícios importantes do bloqueio de energia que o tornam uma opção atraente para aplicações de baixa energia:
1. Eficiência energética aprimorada: o bloqueio de energia pode reduzir o consumo de energia em até 90% em alguns casos.Isso significa maior duração da bateria e custos operacionais reduzidos.
2. Maior desempenho: Ao desligar seletivamente os blocos não utilizados, o bloqueio de energia pode reduzir a dissipação de calor e melhorar o desempenho geral do chip.Isso é particularmente importante em aplicações de alto desempenho, onde o gerenciamento térmico é crítico.
3. Confiabilidade aprimorada: o bloqueio de energia também pode melhorar a confiabilidade dos ASICs, reduzindo a probabilidade de fuga térmica e outros modos de falha.Ao reduzir o consumo de energia, o bloqueio de energia pode ajudar a manter os chips operando dentro de faixas de temperatura segura.
4. Maior flexibilidade do projeto: o bloqueio de energia fornece aos designers maior flexibilidade em termos de como eles alocam energia em diferentes blocos do chip.Isso pode ajudar a otimizar o desempenho dos chips e a eficiência energética.
No geral, o Power Gating é uma ferramenta poderosa para otimizar as ASICs para aplicações de baixa energia.Ao desligar seletivamente os blocos não utilizados de um chip, o bloqueio de energia pode reduzir significativamente o consumo de energia, melhorar o desempenho, aumentar a confiabilidade e fornecer maior flexibilidade de projeto.À medida que continuamos a avançar em direção a um futuro mais sustentável e com eficiência energética, o poder de poder certamente desempenhará um papel crítico na consecução desses objetivos.
6. Tensão dinâmica e escala de frequência (DVFs)
A tensão dinâmica e a escala de frequência (DVFs) é uma técnica popular usada nos projetos modernos da ASIC para manter um equilíbrio entre consumo de energia e desempenho.É uma técnica de gerenciamento de energia que permite ao processador ajustar dinamicamente sua tensão e frequência de operação de acordo com a carga de trabalho.Essa técnica é amplamente utilizada em dispositivos móveis, incorporados e IoT para melhorar a duração da bateria e reduzir o consumo de energia.O DVFS opera variando a tensão e a frequência do processador para corresponder aos requisitos de desempenho do aplicativo.É uma técnica eficaz que pode reduzir o consumo de energia em até 50%.
Existem vários benefícios no uso de DVFs em projetos ASIC.Primeiro, permite que o processador opere a uma tensão e frequência mais baixas quando a carga de trabalho é baixa, reduzindo o consumo de energia.Segundo, permite que o processador opere com uma tensão e frequência mais alta quando a carga de trabalho é alta, melhorando o desempenho.Terceiro, reduz a necessidade de técnicas complexas de gerenciamento térmico, reduzindo o custo geral do sistema.Quarto, minimiza o risco de fuga térmica, que pode danificar o processador e outros componentes.
Para implementar DVFs em um design da ASIC, as etapas a seguir são normalmente tomadas:
1. Análise de desempenho: o designer analisa o aplicativo para determinar os requisitos de desempenho do processador.
2. Escala de tensão e frequência: o designer cria uma tabela que mapeia a tensão e a frequência do processador para os requisitos de desempenho do aplicativo.
3. Controle de relógio e tensão: o designer implementa um circuito de controle que ajusta o relógio e a tensão do processador de acordo com a tabela.
4. Mecanismo de feedback: o designer implementa um mecanismo de feedback que monitora o desempenho do processador e ajusta a tensão e a frequência de acordo.
5. Teste e verificação: O designer testa a implementação do DVFS para garantir que atenda aos requisitos de desempenho do aplicativo.
O DVFS é uma técnica essencial para projetos modernos da ASIC, especialmente para aplicações de baixa potência.Por exemplo, em um telefone celular, os DVFs podem ajudar a estender a duração da bateria, reduzindo o consumo de energia quando o dispositivo não estiver em uso.Em um dispositivo de IoT, os DVFs podem ajudar a reduzir o consumo de energia e melhorar a duração da bateria, permitindo que o dispositivo opere por períodos mais longos sem recarregar.No geral, o DVFS é uma técnica poderosa que pode ajudar a otimizar os projetos da ASIC para aplicações de baixa potência.
7. Técnicas de redução de energia de vazamento
À medida que a demanda por dispositivos com eficiência energética cresce, a redução do poder de vazamento nos ASICs se tornou uma parte crucial do processo de design.A potência de vazamento é a energia consumida por um transistor, mesmo quando não está alternando.Essa dissipação de energia pode se tornar significativa à medida que o número de transistores em um ASIC aumenta.A redução da energia de vazamento pode levar a melhorias significativas na eficiência energética e na duração da bateria em aplicações de baixa potência.Existem várias técnicas que os designers podem usar para reduzir a energia de vazamento nos ASICs.
1. Gatagem de potência: o bloqueio de energia é uma técnica que envolve desligar a fonte de alimentação para uma parte do circuito quando não está em uso.Essa técnica pode reduzir significativamente a energia de vazamento, especialmente em circuitos que gastam muito tempo no modo de espera.Por exemplo, em um telefone celular, o circuito de exibição pode ser chamado de energia quando o telefone não estiver em uso, levando a uma economia significativa de energia.
2. Tensão multi-limiar: a tensão multi-limiar (MTV) é uma técnica que envolve o uso de transistores com diferentes tensões de limite em um circuito.Os transistores com tensões de limiar mais altos são usados em áreas onde a velocidade não é crítica, enquanto os transistores com tensões de limiar mais baixos são usados em áreas onde a velocidade é importante.Essa técnica pode reduzir a energia de vazamento usando transistores de tensão de limite mais altos em áreas onde a energia de vazamento é uma preocupação.
3. Volho do corpo: o viés do corpo é uma técnica que envolve a aplicação de uma tensão ao substrato do transistor para ajustar sua tensão limite.Essa técnica pode ser usada para ajustar a tensão limite dos transistores em um circuito para reduzir a energia de vazamento.Por exemplo, em um circuito digital, a tensão limite dos transistores no modo de espera pode ser aumentada para reduzir a energia de vazamento.
4. Escala de tensão adaptativa: a escala de tensão adaptativa é uma técnica que envolve ajustar dinamicamente a tensão de alimentação de um circuito com base na carga de trabalho.Essa técnica pode ser usada para reduzir a energia de vazamento,diminuindo a tensão de alimentação quando o circuito não estiver em uso.Por exemplo, em um processador, a tensão de alimentação pode ser reduzida quando o processador estiver ocioso, levando a uma economia significativa de energia.
A redução da potência de vazamento é uma parte essencial do projeto de ASICs com eficiência energética para aplicações de baixa potência.Usando técnicas como bloqueio de energia, tensão com múltiplos limites, polarização do corpo e escala de tensão adaptativa, os designers podem reduzir significativamente a potência de vazamento e melhorar a eficiência energética.Essas técnicas podem ser usadas em combinação para obter uma economia de energia ainda maior, levando a uma vida útil mais longa da bateria e a mais dispositivos sustentáveis.
8. Melhores práticas
O design com eficiência de energia é crucial para aplicações de baixa energia, pois afetam diretamente o desempenho, a vida útil e o custo dos sistemas.O uso de circuitos integrados específicos para aplicação (ASICs) em aplicações de baixa energia tem sido tendência devido à sua alta eficiência, baixo consumo de energia e flexibilidade.No entanto, para obter a máxima eficiência, os designers da ASIC precisam incorporar as melhores práticas em seu design com eficiência energética.Essas práticas podem variar de usar a tecnologia mais recente e otimizar o consumo de energia de diferentes componentes do ASIC.Nesta seção, exploraremos algumas das melhores práticas que os designers da ASIC podem aplicar para otimizar a eficiência energética.
1. Use a tecnologia mais recente: o uso da tecnologia mais recente, como nós de processos avançados, FINFETs e transistores de portão de metal High-K (HKMG), pode melhorar significativamente a eficiência energética.Essas tecnologias têm correntes de vazamento mais baixas, tensão de alimentação reduzida e maior desempenho do que as gerações anteriores.
2. Otimizar o consumo de energia de diferentes componentes: diferentes componentes do ASIC têm diferentes níveis de consumo de energia e otimizar o consumo de energia de cada componente pode ter um impacto significativo na eficiência energética.Por exemplo, reduzir a tensão da rede do relógio, otimizar o design do buffer e reduzir a energia consumida pelo subsistema de memória pode contribuir para reduzir o consumo geral de energia do ASIC.
3. Use o bloqueio de potência e a tensão dinâmica e a escala de frequência (DVFs): o bloqueio de energia envolve desativar a energia dos módulos ociosos, enquanto os DVFs ajustam a tensão e a frequência do ASIC com base na carga de trabalho.Essas técnicas podem reduzir significativamente o consumo de energia sem afetar o desempenho.
4. Implemente o relógio Gating: O bloqueio do relógio é uma técnica que envolve desligar o relógio para as partes do circuito que não estão em uso.Isso pode economizar energia, reduzindo o consumo dinâmico de energia do ASIC.
5. Use técnicas de design de baixa potência: técnicas como design de vários VT, lógica de limiar de múltiplos limites e design de VDD duplo podem melhorar a eficiência energética, reduzindo os níveis de tensão do ASIC.
6. Otimize o projeto físico: Técnicas de otimização do projeto físico, como posicionamento e roteamento, podem melhorar a eficiência energética, reduzindo o comprimento do fio, evitando congestionamento e minimizando a capacitância parasitária do ASIC.
A aplicação de melhores práticas em design com eficiência energética é essencial para otimizar as ASICs para aplicações de baixa energia.Usando a tecnologia mais recente, otimizando o consumo de energia de diferentes componentes, usando o bloqueio de energia e os DVFs, implementando o bloqueio do relógio, usando técnicas de baixo design de energia e otimizando o design físico são maneiras eficazes de melhorar a eficiência energética.Seguindo essas práticas, os designers da ASIC podem obter soluções de alto desempenho, longa vida útil e custo-benefício para aplicações de baixa energia.
9. Futuro dos ASICs em aplicações de baixa potência
O futuro dos asics em aplicações de baixa potência é um tópico que ganhou atenção significativa nos últimos anos.Com a crescente demanda por soluções com eficiência energética, a indústria de semicondutores vem explorando novas maneiras de otimizar as ASICs para aplicações de baixa potência.ASICS, ou circuitos integrados específicos de aplicativos, são circuitos integrados projetados para aplicações específicas, como dispositivos móveis, eletrodomésticos inteligentes e dispositivos médicos.Eles são conhecidos por seu alto desempenho, baixo consumo de energia e pequeno fator de forma.
Do ponto de vista tecnológico, o futuro dos ASICs em aplicações de baixa potência parece promissor.A indústria de semicondutores está desenvolvendo continuamente novas tecnologias que permitem que o ASICS opere em tensões mais baixas, reduza o consumo de energia e melhore o desempenho.Por exemplo, a tecnologia FINFET, que é um tipo de tecnologia de transistor que permite um melhor controle do fluxo de elétrons, permitiu a ASICS obter uma redução significativa no consumo de energia, mantendo o alto desempenho.
Do ponto de vista da aplicação, o futuro dos ASICs em aplicações de baixa potência também é promissor.A demanda por soluções com eficiência energética está aumentando em vários setores, como saúde, automóveis e eletrônicos de consumo.Por exemplo, no setor de saúde, os ASICs são usados em dispositivos médicos, como monitores de glicose e marca -passos, para fornecer medições precisas e confiáveis e minimizar o consumo de energia.
Para fornecer informações mais detalhadas sobre o futuro dos ASICs em aplicativos de baixa potência, aqui estão algumas idéias importantes a serem consideradas:
Do ponto de vista da aplicação, o futuro dos ASICs em aplicações de baixa potência também é promissor.A demanda por soluções com eficiência energética está aumentando em vários setores, como saúde, automóveis e eletrônicos de consumo.Por exemplo, no setor de saúde, os ASICs são usados em dispositivos médicos, como monitores de glicose e marca -passos, para fornecer medições precisas e confiáveis e minimizar o consumo de energia.
Para fornecer informações mais detalhadas sobre o futuro dos ASICs em aplicativos de baixa potência, aqui estão algumas idéias importantes a serem consideradas:
1. Técnicas de otimização de potência: Existem várias técnicas de otimização de energia que podem ser usadas para otimizar as ASICs para aplicações de baixa potência, como bloqueio de relógio, bloqueio de energia e escala de tensão.Essas técnicas podem ajudar a reduzir o consumo de energia, mantendo o alto desempenho.
2. Considerações sobre o design: O design dos ASICs desempenha um papel crucial em seu consumo e desempenho de energia.Os designers precisam considerar vários fatores, como o tamanho do chip, o número de transistores e a tensão operacional, para otimizar as ASICs para aplicações de baixa potência.
3. Vida da bateria: Um dos principais benefícios dos ASICs em aplicações de baixa potência é a capacidade de prolongar a duração da bateria dos dispositivos.Por exemplo, em smartphones, asics são usados para reduzir o consumo de energia, o que ajuda a aumentar a vida útil da bateria do dispositivo.
4. Compensações: Ao otimizar as ASICs para aplicações de baixa potência, muitas vezes há compensações entre consumo de energia, desempenho e custo.Os designers precisam equilibrar cuidadosamente esses fatores para garantir que os ASICs atendam aos requisitos do aplicativo, minimizando o consumo de energia.
O futuro dos ASICs em aplicações de baixa potência parece brilhante, com avanços tecnológicos e aumento da demanda por soluções com eficiência energética.Ao alavancar as técnicas de otimização de energia, considerando as considerações de design e equilibrando cuidadosamente as compensações, os designers podem otimizar as ASICs para aplicações de baixa potência, fornecendo soluções confiáveis e eficientes para vários setores.
Destacar a importância da eficiência energética em dispositivoseletrônicos modernos, devido à necessidade de prolongar a vida útil da bateria e reduzir o impacto ambiental.
2. **Técnicas de Otimização:** Explorar técnicas específicas de otimização, como minimização do número de transições de estado, redução da capacitância parasita e uso de tecnologias de baixa potência, como CMOS de baixa tensão.
3. **Metodologias de Projeto:** Descrever metodologias de projeto, como transistor sizing, reconfiguração dinâmica de circuitos e técnicas de clock gating, para minimizar o consumo de energia em diferentes estados de operação.
4. **Ferramentas de Design:** Discutir ferramentas de design de circuitos que permitem análise e otimização do consumo de energia em diferentes níveis de abstração, do nível lógico ao nível físico.
5. **Estudo de Caso:** Apresentar um estudo de caso real de um projeto de otimização de circuito lógico para um dispositivo IoT de baixa potência, demonstrando a aplicação prática das técnicas e metodologias descritas.
Circuitos microeletrônicos com baixa dissipação de energia, que podem ser alimentados por baterias leves com tempos suficientes entre recargas, são algo que os mercados de dispositivos eletrônicos móveis e operados por bateria exigem. O consumo de energia de um circuito é definido como p(t) = i(t).v(t), onde i(t) é a corrente instantânea fornecida pela fonte de alimentação e v(t) é a tensão de alimentação instantânea. Uma maneira fácil de minimizar a potência é maximizar a potência instantânea ou potência média . Mas a potência média influencia a vida útil das baterias e o custo da dissipação de calor, enquanto a potência instantânea restringe o projeto da rede elétrica e do circuito de fonte de alimentação. Embora a minimização de energia seja um objetivo importante em projetos da vida real, obter um desempenho ideal é sempre uma métrica chave que nunca pode ser negligenciada. Conseqüentemente, mais do que a minimização de potência, o desempenho é uma métrica que orienta o projeto e a otimização geral do circuito. Tem sido amplamente observado que a potência pode ser reduzida às custas de alguma degradação do desempenho. Nessa compensação, a redução de potência tem vantagem apenas em circuitos onde alcançar a minimização de potência é mais importante do que o desempenho do circuito. Para evitar esse comprometimento da potência e do desempenho, várias métricas conjuntas de potência e desempenho foram propostas na literatura. Por exemplo, o produto de atraso de potência, que é uma medida de energia, é usado em muitos projetos como uma métrica aceitável. Comprometer fortemente o desempenho para alcançar a minimização de energia não é aceitável como uma opção de projeto para minimização de energia. A degradação do desempenho pode ser fortemente controladopelaadoção do produto de atraso de energia, que equivale ao quadrado do produto de atraso de energia, nos casos em que o desempenho tem maior prioridade sobre o consumo de energia . Além da compensação entre desempenho e potência, outra compensação importante no circuito VLSI e no projeto do sistema é potência versus flexibilidade. A literatura relata que projetos específicos de aplicações são muito mais eficientes em termos de energia do que sistemas de uso geral programados para realizar a mesma computação. No entanto, como a flexibilidade é um requisito indispensável, alcançar a máxima eficiência energética sem ter que comprometer a flexibilidade é algo que os projetistas devem buscar .
FONTES DE DISSIPAÇÃO DE ENERGIA :Um circuito CMOS digital possui três fontes de dissipação de energia. As transições lógicas são a primeira fonte de dissipação de energia. As capacitâncias parasitas são carregadas e descarregadas à medida que os nós em um circuito CMOS digital transitam entre os dois níveis lógicos. A energia elétrica é convertida em calor e dissipada enquanto a corrente flui através da resistência do canal dos transistores. Como a oscilação de tensão é apenas a tensão de alimentação, a dissipação baseada na transição flutua globalmente como o quadrado da tensão de alimentação. A condução simultânea da sub-rede n e da sub-rede p de uma porta CMOS, resultando em corrente de curto-circuito fluindo diretamente da fonte para o terra, constitui a segunda fonte de dissipação de energia. Quando as entradas da porta são estáveis em qualquer nível lógico, é apenas uma das duas sub-redes em uma porta lógica CMOS que conduz e, portanto, não há correntes de curto-circuito fluindo para baixo. Por outro lado, ambas as sub-redes n e p conduzem simultaneamente por um curto intervalo quando a saída de uma porta muda em resposta à mudança nas entradas. A duração deste intervalo depende dos tempos de subida e descida, assim como da dissipação de energia do curto-circuito. Ambas as duas fontes de dissipação de energia em circuitos CMOS discutidas até agora neste artigo são uma função das transições de sinal nas saídas das portas e, portanto, são classificadas coletivamente como dissipação dinâmica. Vazamento a corrente flui quando as entradas e, portanto, as saídas de uma porta não estão mudando e constitui a terceira e última fonte de dissipação de energia em circuitos CMOS. Este componente da dissipação de energia é chamado de dissipação estática, pois os sinais nas entradas e saídas do portão não mudam. A contribuição da corrente de fuga para a dissipação total de energia é baixa na tecnologia atual e geralmente é negligenciada. No entanto, uma redução na potência dinâmica pode ser alcançada reduzindo a tensão de alimentação e isto requer MOSFETs com tensões de limiar baixas. À medida que a tensão limite dos MOSFETs é reduzida, o grau em que os MOSFETs nas portas lógicas são desligados também diminui e, conseqüentemente, a corrente de fuga em espera aumenta . Economias significativas na dissipação de energia podem ser obtidas operando os MOSFETs com uma tensão de alimentação reduzida, uma vez que o componente dominante da dissipação de energia em circuitos CMOS varia conforme o quadrado da tensão de alimentação. No entanto, as margens de ruído são degradadas se a tensão de alimentação for reduzida, mantendo as mesmas tensões limite. Portanto, as tensões limite também devem ser reduzidas para melhorar as margens de ruído. Mas a redução da tensão limite aumenta exponencialmente as correntes de fuga subliminares e a dissipação estática resultante pode compensar a redução no componente dinâmico da dissipação. Portanto, há uma necessidade de projetar dispositivos que tenham tensões limite que possam maximizar a redução líquida na dissipação de energia. A componente de transições da dissipação também depende da frequência ou da probabilidade de ocorrência das transições. Se for assumida uma alta probabilidade de transições e for escolhida uma tensão de alimentação e limite correspondentemente baixa, para reduzir o componente de transições da dissipação de potência e fornecer margens de ruído aceitáveis, respectivamente, o aumento na dissipação estática pode ser grande. À medida que a tensão de alimentação é reduzida, o produto potência-atraso dos circuitos CMOS diminui e os atrasos aumentam monotonicamente. Portanto, embora seja desejável usar a tensão de alimentação mais baixa possível, na prática, apenas uma tensão de alimentação tão baixa pode ser usada que corresponda a um atraso que possa ser compensado por outros meios, e podem ser tomadas medidas para reter o rendimento do sistema no nível desejado. Alterar as relações entre largura de canal e comprimento de canal dos dispositivos que constituem o circuito é uma maneira de alterar o atraso de um circuito CMOS. Para um inversor CMOS acionando outro inversor através de uma interconexão de comprimento específico, o produto potência-atraso varia de acordo com as relações larguracomprimento dos dispositivos presentes no circuito. O produto potência-atraso, quando a capacitância da interconexão não é significativa, diminui inicialmente e depois começa a aumentar com o aumento da relação largura-comprimento, enquanto o atraso é mantido constante, garantindouma redução na tensão de alimentação. Portanto, uma solução para a consideração do produto de atraso de potência pode ser alcançada através de uma combinação de tensão de alimentação ideal e relações largura-comprimento. Paralelismo e pipeline são formas possíveis que podem garantir que uma redução na tensão de alimentação não afete o rendimento no nível do sistema. Assim, com uma redução 
a tensão de alimentação, o grau de paralelismo ou o número de estágios de pipeline são aumentados para compensar o aumento do atraso. Mas então a latência aumenta. Circuitos de controle aéreo também devem ser adicionados. Como esse próprio circuito consome energia, existe um ponto além do qual a energia, em vez de diminuir, aumenta. Mesmo assim, foi demonstrado que grandes reduções na dissipação de energia por fatores tão grandes quanto 10 podem ser obtidas tanto na teoria quanto na prática. Fenômenos que antes eram inexistentes ou insignificantes são questões importantes no regime submicrométrico. Um deles, o efeito portador quente, é exibido quando o tamanho do recurso diminui enquanto a tensão de alimentação é mantida em uma magnitude constante. Os campos elétricos elevados resultam e causam a degradação dos dispositivos: as tensões limite aumentam, a transcondutância diminui e as correntes subliminares aumentam. Uma solução é usar a estrutura de dreno levemente dopado (LDD). Como a estrutura LDD exibe maior resistência parasita em série, existe novamente uma tensão de alimentação ideal. Para valores maiores de tensão de alimentação, o atraso aumenta. A ocorrência de saturação de velocidade em dispositivos submicrométricos torna o atraso relativamente independente da tensão de alimentação. Conseqüentemente, para uma penalidade de atraso não muito grande, reduzir a tensão de alimentação pode reduzir a dissipação de energia. Além disso, existem várias opções de design no nível do circuito que impactam a dissipação de energia em circuitos CMOS. Exemplos de opções de design baseadas em circuitos incluem, mas não se limitam a, opções de design estático versus dinâmico, pass-gate versus estilo de design CMOS normal versus circuitos assíncronos. O bloco de lógica combinatória em circuitos síncronos continua computando sua saída usando entradas observadas para cada ciclo de clock, embora essas saídas computadas por este bloco combinatório não sejam necessárias. Uma boa forma de economizar energia é desabilitar o relógio e/ou desligar todas as unidades de execução que consistem no bloco lógico combinatório e os registros de estado relacionados para colocá-los em modo stand-by. Detectar e desligar unidades não utilizadas e ligá-las novamente quando precisarem ser usadas requer circuitos especiais.
III.TÉCNICAS DE OTIMIZAÇÃO DE BAIXO CONSUMO DE ENERGIA
As técnicas de otimização de baixo consumo de energia podem ser aplicadas em diferentes níveis da hierarquia de projeto – Nível de Tecnologia, Nível de Layout, Nível de Circuito, Nível Lógico e Nível de Arquitetura. Neste artigo, as técnicas de otimização de energia no nível lógico e no nível da arquitetura foram discutidas em detalhes neste artigo. A otimização de energia em nível lógico tem sido extensivamente pesquisada nos últimos anos. Devido à complexidade dos circuitos integrados digitais modernos, a otimização em nível lógico feita à mão ou personalizada é muito cara em termos de esforço e tempo de projeto. Conseqüentemente, é econômico apenas para lógica estruturada em componentes de grande volume, como microprocessadores (por exemplo, unidades funcionais no caminho de dados). Hoje em dia, estão disponíveis diversas ferramentas comerciais de síntese lógica, que fornecem otimizações automatizadas de potência, que auxiliam no nível lógico.
Otimização para lógica não estruturada e circuitos integrados de baixo volume. Durante o processo de otimização lógica, os parâmetros tecnológicos, como a tensão de alimentação, são geralmente fixos, e a estratégia de projeto reside na seleção adequada da funcionalidade e no dimensionamento das portas que implementam uma determinada especificação lógica. Porque, para tecnologia e técnicas em nível de circuito, a potência nunca é a única métrica de custo de interesse e geralmente o desempenho também é fortemente limitado. O tema mais predominante nas técnicas de otimização de potência em nível lógico é o controle das atividades de comutação. As atividades de comutação contribuem diretamente para a potência de curto-circuito e para a carga/descarga das capacitâncias dos nós A. Reorganização do Portão A reorganização estrutural é aplicada à rede em nível de porta para criar redes logicamente equivalentes com diferentes valores de potência, área e atraso. Em palavras mais simples, a reorganização de portas é uma técnica para transformar um circuito lógico em outra forma que seja funcional ou logicamente equivalente. Como existem infinitas maneiras de implementar um circuito lógico, uma operação de transformação que altere drasticamente o atraso e as características de potência do circuito não tem valor prático. O resultado dessa transformação drástica é como gerar aleatoriamente circuitos funcionalmente equivalentes sem um objetivo de otimização. Portanto, a maioria das técnicas de reestruturação lógica utiliza regras de reestruturação locais para transformar uma rede em outra, de modo que apenas poucos fios e portas no circuito sejam afetados. E, portanto, as mudanças incrementais no desempenho, na potência e na área de tais transformações locais podem ser facilmente avaliadas. Uma ferramenta de síntese lógica cria um circuito lógico inicial a partir de uma entrada de linguagem de descrição de hardware que atua como ponto de partida para a reorganização da porta. Após uma série de transformações locais, poucas redes são geradas e avaliadas e finalmente o melhor circuito é retido. Abaixo mencionados estão alguns operadores básicos de transformação: 1. Decomponha um único portão em vários portões. 2. Combine vários portões em um único portão. 3. Duplique uma porta e redistribua suas conexões de saída. 4. Adicionar/excluir uma ligação 5. Elimine portões não conectados.
Existe um conjunto comum de operadores usados pela maioria das ferramentas de reorganização de portas. O operador COMBINE pode ser usado para ocultar nós de alta frequência dentro da rede para que a capacitância do nó não seja comutada. Os operadores DECOMPOSE e DUPLICATE ajudam a diferenciar o caminho crítico dos não críticos para que estes últimos possam ser dimensionados. O operador DELETE WIRE reduz o tamanho do circuito e o operador ADD WIRE ajuda a fornecer um circuito intermediário que pode eventualmente levar a um melhor.
B. Controle de sinal 
O gate de sinal refere-se a uma classe de técnicas para mascarar a propagação de atividades de comutação indesejadas, causando dissipação de energia dinâmica desnecessária. A maioria das técnicas de sinalização são aplicadas no nível lógico porque as atividades de comutação dos sinais podem ser facilmente analisadas. Existem diferentes maneiras de implementar o gate de sinal. O método mais simples é colocar uma porta AND/OR no caminho do sinal para interromper a propagação do sinal quando ele precisar ser mascarado. Outro método é usar um latch ou flip-flop para bloquear a propagação do sinal. Às vezes, uma porta de transmissão ou um buffer de três estados pode ser usado no lugar de uma trava se o vazamento de carga não for uma preocupação. A Figura 1 mostra alguns exemplos de implementações da técnica de controle de sinal. Os sinais que chegam à parte inferior dos blocos lógicos são sinais de controle usados para controlar a propagação do sinal de entrada para a saída.
A desvantagem aqui é que são necessários circuitos lógicos adicionais para a geração de sinais de controle, que consumirão energia adicional. Este valor de potência adicional precisa ser considerado para entender se a ativação do sinal leva à economia geral de energia. A regra geral é que se a frequência de comutação do sinal de controle for relativamente