Table of Contents

ونظراً إلى أن التكنولوجيا القابلة للارتداء أصبحت شائعة بشكل متزايد، فإن الطلب على أجهزة معالجة دقيقة ذات كفاءة في استخدام الطاقة لم يكن أكبر من ذلك، فمن أجهزة تعقب اللياقة وأجهزة غسيل الذكاء إلى أجهزة رصد طبية متقدمة، وإلى نظارات واقعية معززة، فإن هذه الأجهزة تعتمد على مجهزات صغيرة ذات قدرة بطارية يجب أن توازن الأداء العالي مع الحد الأدنى من سعة الطاقة.

وتستكشف هذه المادة المبادئ الأساسية لبنية لجنة رابطة الدول المستقلة، والقيود المحددة على الطاقة التي تفرضها الأجهزة القابلة للارتداء، والتقنيات المتقدمة للتصميمات ذات القدرة المنخفضة التي تمكن المجهزين الحديثين التابعين للجنة من الازدهار في بيئات الطاقة المنخفضة، وسندرس أيضا التكنولوجيات والاتجاهات الصناعية الناشئة التي تعد بدفع الحدود لما يمكن أن يحدث في حساب قابل للارتداء.

Understanding CISC Microprocessors

مجهزو أجهزة التحكم المصغرة المصممة لتنفيذ التعليمات المعقدة باستخدام عدد أقل من رموز التجمع مقارنة بنظرائهم في معهد بحوث الأمراض النفسية، يمكن لكل تعليمات أن تؤدي مهاماً منخفضة المستوى مثل عمليات الذاكرة، وحسابات الخيط، وتدفقات التحكم في قيادة واحدة، وهذا النهج يقلل من عدد التعليمات لكل برنامج، وبساطة تصميمات التجميع، لكنه يزيد من تعقيد وحدات التنفيذ

ومن الناحية التاريخية، كانت هياكل رابطة الدول المستقلة تهيمن على الحواسيب الشخصية وأسواق الخواديم، إذ أن أسرة عام ٦٨٩١، التي طورتها شركة إنتل وشركة AMD، هي أبرز مثال على ذلك، حيث توفر عقودا من التوافق الرجعي ونظاما إيكولوجيا واسعا من البرامجيات، غير أن كفاءة استخدام هذه التصاميم كانت مصدر قلق مستمر، ففي جهاز قابل للارتداء، يجب على المعالج أن يقدم أداء كافيا لمهام مثل ضخات الصغيرة للبيانات، والاتصالات اللاسلكية، والربط بين المستعملين والمئة ساعة.

وتشمل الخصائص الرئيسية لمجهزي لجنة البلدان المستقلة التي تؤثر على استهلاك الطاقة ما يلي:

  • Microcoded control units:] Complex instructions are broken down into sequences of micro-operations, which require additional logical and hours cycles.
  • Variable instruction lengths:] Decoders must handle instructions of differenting sizes, increasing complexity and energy per decoded instruction.
  • Multi- cycle execution:] Many instructions take multiple hours cycles to complete, leading to higher dynamic power.
  • Large register files and caches:] To reduce memory access latency, CISC processors often integrate sizable caches, which consume static and dynamic power.

وعلى الرغم من هذه التحديات، فإن التقدم الذي تحقق مؤخرا في تصميمات منخفضة الطاقة جعل من لجنة الكومنولث خيارا قابلا للتطبيقات القابلة للارتداء، على سبيل المثال، مجهزي إنتل كوارك و ذرات، الذي يستند إلى هيكل كومنولث الدول المستقلة لعام 1986، قد تم نشره في نظم وأجهزة ذات قدرة منخفضة، كما أن مجهزي أجهزة تصنيع أجهزة الإرسال المدمجة G-Series يضغطون على تصميم كومنولث الدول المستقلة في إطار نظام ترابط للطاقة.

عوامل استهلاك الطاقة الرئيسية في تصميمات لجنة رابطة الدول المستقلة

ولتصميم مجهزات فعالة للطاقة تابعة للجنة الدائمة المشتركة بين الوكالات للأجهزة الكهربائية، يجب على المهندسين فهم المصادر الرئيسية لتفكك الطاقة، ويمكن تصنيف هذه المصادر في قوة دينامية، وقوة ثابتة، وقوة قصيرة.

الطاقة الديناميكية

وتستهلك الطاقة الدينامية عندما يتحول المترجمون إلى ما بين الولايات المنطقية، وهي تناسب مباشرة مع الفولطية التشغيلية المربع، وتواتر ساعات العمل، وعامل النشاط (جزء من البوابات التي تتحول إلى دورة كل ساعة) وفي مجهزي لجنة الكومنولث المستقلة، يؤدي تعقيد منطق تعاطف البيانات والسيطرة إلى عوامل نشاط عالية، لا سيما أثناء التعليمات المفصلة وتواتر تنفيذ التعليمات المصغرة.

القوة الثابتة (اللحاق)

وتتدفق الطاقة الثابتة أو التي تسربها حتى عندما لا يتحول المترجمون إلى مواقع مهيمنة على أشرطة العمليات الأصغر (مثلا 28 مترا وما دونها) وفي المجهزات القابلة للارتداء التي يجب أن تظل معطلة لفترات طويلة لإنقاذ البطارية، يمكن أن تستنفد البطارية حتى عندما لا تستخدم الأجهزة.

السلطة القصيرة الأجل

وتتم الطاقة القصيرة الأجل خلال التحول عندما تجري شبكات السحب والسحب في وقت واحد، وفي حين أن جزءا صغيرا من الطاقة الإجمالية عادة، فإنها يمكن أن تصبح كبيرة في دوائر مصممة بشكل ضعيف، ويساعد التزود الدقيق بالمترجمين التحريريين وزيادة عدد مرات التأقلم/النقصان على التخفيف من حدة ذلك.

وفي سياق الأجهزة القابلة للارتداء، يجب على المعالج أيضا أن يدير الطاقة من المناطق المحيطة مثل أجهزة الاستشعار والراديو اللاسلكية والعرض، وكثيرا ما يتم اعتماد نهج شامل للنظام على الشاشة، حيث يدمج نواة مركز التعاون الدولي مع المعجلات المنخفضة القوة ودائرة النوم المخصصة.

التحديات في التطبيقات القابلة للزراعة

وتضع الأجهزة القابلة للزراعة مطالب فريدة على تصميم المعالجات الدقيقة، وقد أدرجت المادة الأصلية عدة تحديات؛ وسنتوسع في كل منها مع سياق أعمق وآثار عملية.

القدرة المحدودة على البطارية

ويقيد حجم البطاريات القابلة للزراعة وزنها، ويشغل جهاز رصد ذكي عادة بطارية تبلغ 200 إلى 500 متر مربع، في حين قد يكون لجهاز تعقب للياقة 50 إلى 200 متر مربع، وفي حالة تشغيل مجهز تابع لرابطة الدول المستقلة على ترددات متوسطة (مثل 200 ميغاهرتز)، يجب إبقاء استهلاك الطاقة النشط دون 100 ميل غربي لتحقيق يوم كامل من التشغيل.

الحاجة إلى ساعات العمليات الطويلة

وينتظر المستعملون أن تستمر المصابون بالبضائع في يوم واحد على الأقل، وكثيرا ما تكون أكثر من ذلك، وتشمل العمليات المستمرة مهام أساسية مثل عدّ الدرجات، ورصد معدل ضربات القلب، والاتصال بلوتون منخفض الطاقة، ويجب أن يكون لبريد لجنة الكومنولث المستقلة القدرة على الاستيقاظ من دول النوم العميق، والقيام بحسابات دورية، والعودة إلى النوم بسرعة، فالطاقة المستهلكة أثناء انتقال المواس (التنفس والنوم على الميزانية) لا يمكن أن تقلل إلى أدنى حد.

الحد من التنميط

ويحد حجم الجسم المادي للشركة، ويقلل معدل الوفيات الأصغر من التكلفة ويسمح بأجهزة أكثر حزما، ولكنه يقلل أيضا من القدرة على إدماج المواشي الكبيرة أو النواة المتعددة، ويجب أن تنفذ في بصمة صغيرة تصميمات لجنة البلدان المستقلة التي كثيرا ما تعتمد على 32 إلى 64 كيلوبايت من الخيش من طراز L1، ونحو بضع مئات من كيلوبايت من الكاشيات من طراز L2.

مواصلة عملية تجهيز الأداء لتحليل البيانات في الوقت الحقيقي

ويجب أن تجهز الأجهزة القابلة للزراعة بيانات الاستشعار في الوقت الحقيقي لتطبيقات مثل الكشف عن الخريف، أو تحليلات الفريق أو الاعتراف بالصوت، وفي حين أن مجرد المتحكم في الميكروفونات (مثلاً، شركة ARM Cortex-M) قد يكفي للمهام الأساسية، فإن الخوارزميات الأكثر تعقيداً تستفيد من التوازي العالي المستوى للتعليمات، ومجموعة من مواد الترميز ذات الصلة بالشبكة، والتحدي هو تنفيذ هذه الميزانيات المكثفة دون تجاوزها.

تقنيات تصميم النقاط المنخفضة لأجهزة تصنيع لجنة البلدان المستقلة

وقد استحدث المهندسون بطارية من التقنيات لخفض استهلاك الطاقة في أجهزة التصنيع الجزئي التابعة لرابطة الدول المستقلة مع الحفاظ على الأداء عند الحاجة، وهذه التقنيات تشمل الدوائر والمنطق والهيكل الكلي ومستويات النظام.

تزلج القفل وفتح البورصة

إن التأشيرات على نطاق واسع هي تقنية راسخة تعطل إشارة الساعة إلى الوحدات الوظيفية غير المستخدمة، مثلاً إذا لم يكن مطلوباً من وحدة النقاط العائمة، يمكن فتح ساعتها، والقضاء على استهلاك الطاقة الدينامي في سجلات وحدة الكهرباء والمنطق، وفي مجهزي مركز كومنولث الدول المستقلة، يتم تطبيق الحد الأقصى للساعة عند مستوى التشغيل الجزئي، وعند إلغاء التعليمات المعقدة،

Dynamic Voltage and Frequency Scaling (DVFS)

"الطاقة الـ "دي في إس" تسمح للمعالج بتعديل حجمها و تواتر ساعاتها في الوقت الحقيقي بناءً على طلبات عبء العمل "خلال مهام خفية مثل قراءة الإخطارات، يمكن تخفيض الفول والتردد إلى أدنى حد (مثل 0.6V في 50 ميغاهيرتز)" "وأنها تخفض الطاقة الدينامية بشكل كبير" "بما أن حجم الطاقة مع "في 2و"

التعليمات

وفي حين أن فلسفة لجنة رابطة الدول المستقلة هي توفير تعليمات معقدة، فإن كثيرا من هذه التعليمات نادرا ما تستخدم في أعباء العمل التي يمكن ارتداؤها، ويمكن للمصممين أن يخلقوا مجموعة فرعية من مجموعة التعليمات التي تُستخدم على النحو الأمثل لجرائم المعالجة التقليدية للمشعرات، وقد يشمل ذلك ما يلي:

  • Macro-op fusion:] Combining multiple simple instructions into one micro-op to improve pipeline efficiency and reduce fetch and decode energy.
  • Hardware accelerators for common operations:] For example, a custom instruction for multiply-accumulate (MAC) used in filtering can reduce the number of instructions executed.
  • Microcode fixing:] Replacing power-hungry microcode sequences with more efficient ones for specific tasks.

وبوضع التعليمات أو تنفيذها حسب التطبيقات القابلة للارتداء، يمكن للمصممين تحقيق وفورات في الطاقة تتراوح بين 20 و 40 في المائة دون التضحية بالأداء.

عملية وتصاعد حجم الطائرة

"الانتقال إلى "مُمرّضات "الإنفلوند" و "الخطّ" المُتقدّم، و "الخطّ" المُتّبع هو "الإنفلي" و "الخطّ"

الهياكل الأساسية المتعددة

(النظام الأساسي للقوى العاملة) هو أن يدمج بين قوّة عالية الأداء في مركز كومنولث الدول المستقلة وبين واحد أو أكثر من النواة الأساسية للقوى المنخفضة، و الهيكل الكبير للقوى العاملة (الذي يستخدمه فريق إدارة المخاطر المؤسسية، ولكن أيضاً ينطبق على أجهزة التشغيل الأساسية لرابطة الدول المستقلة عندما لا تكون هناك حاجة إليها ويدير مهام أساسية على النواة الصغيرة، على سبيل المثال، يمكن للملوثات الخفيفة أن يكون لها أساس صغير وصغير

التعظيم في التسلسل الهرمي

وبالإضافة إلى ذلك، فإن إمكانية الوصول إلى القياس هي مصدر رئيسي لاستهلاك الطاقة، ولا سيما إذا كانت البيانات قد أُخذت من نظام " RAM " غير ذي الفتحة، كما أن أجهزة تجهيز مركز البحوث المتعلقة بالأخشاب ذات الصلة يمكن أن تُستخدم في استخدام هياكل كهرباء صغيرة من حيث الحجم الحرج (16-32 كيلوبايت) تعمل في إطار نظام كهرباء منخفض.

دراسات الحالات الإفرادية والأمثلة

ويظهر عدد من المجهزين في العالم الحقيقي كيف يجري تكييف مبادئ لجنة البلدان المستقلة من أجل تطبيقات منخفضة القدرة والقابلة للذوبان.

Intel Quark SoC

(أيتها عائلة (إنتيل كوارك (وخصوصاً (دي 2000 و (سي سي مجهزة من 32 إلى 86 مجهزة من (سي سي سي سي سي سي) مصممة لنظم مدمجة ذات قوة عالية

AMD Embedded G-Series

مجهزو (جي-سيريز) يدمجون (X86) في صلب (المركز) مع (راديون) في نظام موت واحد، يستهدف أجهزة متدنية القدرة،

RISC-V-Based CISC Emulation

ومن المثير للاهتمام أن بعض الباحثين يستكشفون سبلاً لفرض مجموعات تعليمات رابطة الدول المستقلة على نواة المبادرة من أجل تحقيق كفاءة أفضل في الطاقة، ومن خلال تطبيق طبقة مترجمين تحوّل التعليمات من طراز X86 إلى عمليات صغيرة جداً، يمكنهم الاستفادة من كفاءة الطاقة في النواة الحديثة من نظام " RISC-V " مع الحفاظ على التوافق بين البرامجيات، وهذا النهج يمثل مزيجاً بين نظام كومنولث الدول المستقلة ونظام RISC، مما يجمع أفضل التطبيقات في العالمين.

التكنولوجيات الناشئة والاتجاهات المستقبلية

ومستقبل مجهزي المواد ذات الكفاءة في استخدام الطاقة في البلدان المستقلة من أجل المذيبات، يتجلى في استمرار التقدم في المواد وتصميم الدوائر والهيكل.

عملية فولتاج شبه ثلاثي

ويتعهد المكتب الوطني بتقليص القوة الدينامية حسب الحجم، لكنه يطرح تحديات في الأداء والتقلب، وتساعد البحوث في هياكل تحيز الهيئة وتقلب الأخطاء في التكيف مع هذه المسائل، وبالنسبة للملابسات، يمكن أن تعمل نواة المركز في إطار برنامج " ميغاهرتز " الذي يتكون من ميزانيات للطاقة في إطار بضعة مليوات، بينما لا تزال تؤدي أعمالاً مفيدة.

إدماج الذاكرة غير المأهولة

ويمكن استخدام الذكريات غير المتطورة مثل MRAM (Magnetoresistive RAM) و RRAM (Resistive RAM) على أنها مخابئ أو مدافع خدش سريعة، وتحتفظ بالبيانات عند إزالة الطاقة، وتلغي الحاجة إلى تجديد الذاكرة أو إعادة تحميلها من الوميض، وفي مجهزة تابعة للجنة المستقلة المعنية بالإيدز، يمكن أن يؤدي وجود مخبأ من طراز MRAM-B2 إلى الحد من التسرب.

القفل الإيجابي ومكافحة الحرق

وستضم أجهزة التصنيع في المستقبل أجهزة استشعار على الشيكات (الدرجة، والحجم، والعملية) إلى تواتر ساعات العمل وفولط العرض في الوقت الحقيقي، وتتيح هذه المراقبة التكييفية للتصميم العمل على نحو أقرب إلى نقطة الطاقة الدنيا عبر مجموعة واسعة من الظروف، ويمكن أن تستفيد نوبات لجنة الكومنولث المستقلة ذات الرقابة على الزئبق من إدارة الطاقة " في الوقت المناسب " التي تقلل من حجم الطاقة استنادا إلى التوقيت الملاحظ.

التعجيل بالطقس

"بدلاً من الاعتماد على "المركز المركزي للحسابات لجميع الحواسيب، ستدمج المُسرعات المتخصصة في مهام مثل "الإنترنت العصبي" و "إسلوب" و "إس بي" و "إبست" و "إبتي دي" و "إتش" و "إتش تي" و "إكس"

خاتمة

فتصميم أجهزة مجهزة صغيرة فعالة من حيث الطاقة في مجال التكنولوجيا القابلة للارتداء هو هدف معقد ولكن قابل للتحقيق، إذ إن الجمع بين تقنيات إدارة الطاقة التقليدية، والتمجيد على مدار الساعة، وتوحيد الطاقة، والابتكارات المعمارية، مثل التصميمات المتعددة العناصر المتباينة، ووضع التعليمات على النحو الأمثل، والعملية شبه المستقطبة، يمكن للمهندسين أن يخلقوا أجهزة معالجة في إطار المبادرة تحقق الاحترام الصارم للميزانيات.

وسيتوقف استمرار نجاح التكنولوجيا القابلة للارتداء على القدرة على حزم حواسيب متزايدة التطور في مظاريف الطاقة التي تزداد باطراد باطراد.ومن المجهزات الدقيقة التابعة لرابطة الدول المستقلة، مع تاريخها الطويل من الابتكار والدعم الواسع للبرامجيات، على القيام بدور حيوي في هذا المستقبل، ما دام المصممون ملتزمين بمبادئ فعالة من حيث الطاقة.