E mbedded computing applikationer kräver både effektivitet och flexibilitet: Den största delen av beräkning idag sker inte i stationära datorer, bärbara datorer eller datacenter, utan snarare i inbyggda medieenheter. Mer än en miljard mobiltelefoner säljs varje år, och en 3G mobiltelefon utför fler operationer per sekund än en typisk stationär CPU. Medieenheter som mobiltelefoner, videokameror och digitala tv-apparater utför fler beräkningar än alla utom de snabbaste superdatorerna på effektnivåer som är mindre omfattande än vanliga stationära och bärbara datorer. Till exempel kräver en 3G mobiltelefonmottagare 35 till 40 giga per sekund (GOPS) prestanda för att hantera en 14,4-Mbps kanal, och forskare uppskattar kraven för en 100-Mbps ortogonal frekvensdivision multiplexing (OFDM) kanal på mellan 210 och 290 GOPS. Däremot har ett typiskt stationärt datorsystem en toppprestanda på ett fåtal GOPS och upprätthåller mycket mindre på de flesta applikationer. En mobiltelefons datorutmaningar är ännu mer imponerande när vi anser att dessa prestandanivåer måste uppnås i ett litet handhållet paket med en maximal effektförlust på ca 1W. Enkel aritmetik ger en önskad verkningsgrad på 25 mW/GOP eller 25 pJ/op för 3G-mottagaren och 3-5 pJ/op för ODM-mottagaren. Krav på prestanda och effektivitetskrav driver de flesta medieenheter att utföra sina beräkningar med hårdtrådad logik i form av en applikationsspecifik integrerad krets. En noggrant utformad ASIC kan uppnå en effektivitet på 5 pJ/op i en 90-nm CMOS-teknik. 2 Däremot kräver mycket effektiva inbäddade processorer och DSPs ca 250 pJ/op 3 (50X mer energi än en ASIC), och en populär bärbar processor kräver 20 nJ/op 4 (4 000X mer energi än en ASIC). Effektiviteten av dessa programmerbara processorer är helt enkelt otillräcklig för att kräva inbyggda applikationer-forcing designers att använda hårdtrådade logik för att hålla energikrav inom gränser. Även om ASIC uppfyller kraven på energieffektivitet i inbyggda applikationer är de svåra att utforma och oflexibla. Det tar två år att utforma en typisk ASIC, och kostnaden är 20 miljoner dollar eller mer. Denna höga kostnad placerar ASIC effektivitet utom räckhåll för alla utom den högsta volymen applikationer. Den långa designcykeln gör att ASIC släpar långt efter den senaste utvecklingen inom algoritmer, modem och codecs. Oflexibilitet ökar ASIC:s område och komplexitet. Om ett system måste stödja flera luftgränssnitt, till exempel, en ASIC implementation omedelbart separata hårdtrådade modem för varje gränssnitt-även om endast en kommer att användas när som helst. Om det uppfyller effektivitetskravet, en programmerbar processor kan använda en enda hårdvara resurs för att genomföra alla gränssnitt genom att köra olika programvara. Allteftersom medietillämpningarna utvecklas och blir mer komplexa blir ASIC:s problem större. Den Hardwired ASICs-50X effektivare än programmerbara processorer-uppoffra programmerbarhet för att uppfylla effektivitetskraven för krävande inbyggda system. Programmerbara processorer använder främst energi för att leverera instruktioner och data till de aritmetiska enheterna, och flera tekniker kan minska instruktions- och dataförsörjning energikostnader. Med hjälp av dessa tekniker i Stanford ELM-processorn stänger gapet med ASICs till inom 3X.
ELM REF är en programmerbar processordesign tillägnad både instruktion och dataförsörjning energibesparingar.
Efficient Embedded Computing
{'venue': 'Computer', 'journal': 'Computer', 'mag_field_of_study': ['Computer Science']}