निम्न शक्ति इलेक्ट्रॉनिक्स

निम्न शक्ति इलेक्ट्रॉनिक्स वह इलेक्ट्रॉनिक्स हैं, जैसे कि नोटबुक प्रोसेसर, जिन्हें सामान्य से कम इलेक्ट्रिक बिजली का उपयोग करने के लिए बनाया गया है, नोटबुक प्रोसेसर के मामले में, यह खर्च प्रसंस्करण शक्ति है; नोटबुक प्रोसेसर आमतौर पर कम प्रसंस्करण बिजली की कीमत पर अपने डेस्कटॉप समकक्षों की तुलना में कम शक्ति का उपभोग करते हैं।

घड़ियाँ

Main article: घड़ी

इलेक्ट्रॉनिक उपकरण द्वारा आवश्यक बिजली की मात्रा को कम करने के शुरुआती प्रयास कलाई घड़ी के विकास से संबंधित थे। इलेक्ट्रॉनिक घड़ियों को बिजली स्रोत के रूप में बिजली की आवश्यकता होती है, और कुछ यांत्रिक आंदोलनों और हाइब्रिड इलेक्ट्रोमैकेनिकल आंदोलनों को भी बिजली की आवश्यकता होती है। आमतौर पर, बिजली एक बदली बैटरी द्वारा प्रदान की जाती है। घड़ियों में विद्युत शक्ति का पहला उपयोग मुख्य रूप से एक विकल्प के रूप में था, ताकि घुमावदार की आवश्यकता को दूर किया जा सके। पहली विद्युत संचालित घड़ी, हैमिल्टन इलेक्ट्रिक 500, 1957 में लैंकेस्टर, पेंसिल्वेनिया की हैमिल्टन वॉच कंपनी द्वारा जारी की गई थी।

समय प्रदर्शित करने के लिए एनालॉग हाथों का उपयोग करते हुए 1976 में पहली क्वार्ट्ज कलाई घड़ी का निर्माण किया गया था।

घड़ी बैटरी ( इसमे पूरी तरह से कक्ष , एक बैटरी कक्ष से बने होती है) विशेष रूप से उनके उद्देश्य के लिए डिज़ाइन की जाती हैं। वे बहुत छोटे हैं और बहुत लंबी अवधि (कई वर्षों या उससे अधिक) के लिए लगातार छोटी मात्रा में बिजली प्रदान करते हैं। कुछ मामलों में, बैटरी को बदलने के लिए घड़ी की मरम्मत की दुकान या घड़ी व्यापारी क़ो यन्त्र खोलना की आवश्यकता होती है। पुनःआवेशनीय बैटरी का उपयोग कुछ सौर-संचालित घड़ियों में किया जाता है।

पहली डिजिटल इलेक्ट्रॉनिक घड़ी 1970 में निर्मित एक पल्सर एलईडी प्रोटोटाइप थी। डिजिटल एलईडी घड़ियाँ बहुत महंगी थीं और 1975 तक आम उपभोक्ता की पहुंच से बाहर थीं, जब टेक्सास इंस्ट्रूमेंट्स ने प्लास्टिक के मामले के अंदर एलईडी घड़ियों को बड़े पैमाने पर उत्पादित करना शुरू कर दिया था।

एलईडी डिस्प्ले वाली अधिकांश घड़ियों में उपयोगकर्ता को कुछ सेकंड के लिए प्रदर्शित समय देखने के लिए एक बटन दबाने की आवश्यकता होती है क्योंकि एलईडी में इतनी शक्ति का उपयोग किया जाता है कि उन्हें लगातार चालू नहीं रखा जा सकता है। एलईडी के साथ घड़ियाँ कुछ वर्षों के लिए लोकप्रिय थीं, लेकिन जल्द ही एलईडी प्रदर्शन को लिक्विड क्रिस्टल डिस्प्ले ((एलसीडी) द्वारा स्थान किया गया था, जो कम बैटरी शक्ति (पावर) का उपयोग करते थे और उपयोग में बहुत अधिक सुविधाजनक थी, प्रदर्शन हमेशा दिखाई देते थे और समय देखने से पहले एक बटन दबाने की आवश्यकता नहीं होती थी। केवल अंधेरे में, आपको एक छोटे से प्रकाश बल्ब के साथ डिस्प्ले को रोशन करने के लिए एक बटन दबाना पड़ता था, बाद में एलईडी को रोशन करता था। अधिकांश इलेक्ट्रॉनिक घड़ियाँ आज 32 kHz ऑसिलेटर का उपयोग करती हैं।

2013 तक, विशेष रूप से कलाई घड़ी के लिए डिज़ाइन किए गए प्रोसेसर आज निर्मित सबसे कम-पावर प्रोसेसर हैं-अक्सर 4-बिट, 32 kHz प्रोसेसर।

मोबाइल कंप्यूटिंग

जब व्यक्तिगत कंप्यूटर को पहली बार विकसित किया गया था, तो बिजली की खपत एक मुद्दा नहीं थी। हालांकि वहनीय ( पोर्टेबल )कंप्यूटरों के विकास के साथ, बैटरी पैक से कंप्यूटर को चलाने की आवश्यकता ने कंप्यूटिंग शक्ति (पावर)और बिजली की खपत के बीच समझौता की खोज की आवश्यकता होती है। मूल रूप से अधिकांश प्रोसेसर ने 5 वोल्ट पर कोर और I/O सर्किट दोनों को चलाया, जैसा कि इंटेल 8088 में पहले कॉम्पैक पोर्टेबल द्वारा उपयोग किया जाता है। बाद में इसे कम करने के लिए कम बिजली की खपत में 3.5, 3.3 और 2.5 वोल्ट तक कम हो गया। उदाहरण के लिए, पेंटियम P5 कोर वोल्टेज 1993 में 5V से घटकर 1997 में 2.5V हो गया।

कम वोल्टेज के साथ समग्र बिजली की खपत कम होती है, जिससे किसी भी मौजूदा बैटरी तकनीक पर चलने के लिए सिस्टम कम खर्चीला होता है और लंबे समय तक कार्य करने में सक्षम होता है। यह पोर्टेबल या मोबाइल सिस्टम के लिए महत्वपूर्ण है। बैटरी ऑपरेशन पर जोर देने से प्रोसेसर वोल्टेज को कम करने में कई प्रगति हुई है क्योंकि इससे बैटरी जीवन पर महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है। दूसरा प्रमुख लाभ यह है कि कम वोल्टेज और इसलिए कम बिजली की खपत के साथ, कम गर्मी का उत्पादन किया जाएगा। कूलर चलाने वाले प्रोसेसर को अधिक कसकर प्रणाली (सिस्टम) में पैक किया जा सकता है और लंबे समय तक चलेगा। तीसरा बड़ा लाभ यह है कि कम बिजली पर कूलर चलाने वाला एक प्रोसेसर तेजी से चलने के लिए बनाया जा सकता है। वोल्टेज को कम करना प्रोसेसर की घड़ी दर को उच्च और उच्चतर जाने की अनुमति देने में प्रमुख कारकों में से एक रहा है।

इलेक्ट्रॉनिक्स

कम्प्यूटिंग तत्व

मूर के नियम द्वारा वर्णित एक प्रवृत्ति के बाद, एकीकृत-सर्किट कंप्यूटिंग तत्वों का घनत्व और गति कई दशकों तक तेजी से बढ़ी है। हालांकि यह आमतौर पर स्वीकार किया जाता है कि यह घातीय सुधार की प्रवृत्ति समाप्त हो जाएगी, यह स्पष्ट नहीं है कि इस बिंदु तक पहुंचने के समय तक सघन और तीव्र से एकीकृत सर्किट कैसे मिलेंगे। काम करने वाले उपकरणों का प्रदर्शन किया गया है, जिन्हें पारंपरिक अर्धचालक सामग्री का उपयोग करके 6.3 नैनोमीटर की एक मॉसफेट ट्रांजिस्टर चैनल की लंबाई के साथ बनाया गया था, और उपकरणों को निर्मित किया गया था जो कार्बन नैनोट्यूब का उपयोग मॉसफेट गेट्स के रूप में करते हैं, जो लगभग एक नैनोमीटर की एक चैनल की लंबाई देते हैं। एकीकृत सर्किट की घनत्व और कंप्यूटिंग शक्ति मुख्य रूप से शक्ति-अपशिष्ट चिंताओं द्वारा सीमित हैं।

एक नए व्यक्तिगत कंप्यूटर की समग्र बिजली की खपत प्रति वर्ष लगभग 22% बढ़ रही है। खपत में यह वृद्धि तब भी आती है जब अपनी स्थिति को बदलने के लिए एक एकल CMOS लॉजिक गेट द्वारा खपत ऊर्जा संकोचन के आधार पर मूर के नियम के अनुसार तेजी से गिर गई है।

एक एकीकृत-सर्किट चिप में कई संधारित्र (कैपेसिटिव) लोड होते हैं, दोनों जानबूझकर (गेट-टू-चैनल धारिता (कैपेसिटेंस) के साथ) और अनजाने में (कंडक्टर के बीच जो एक दूसरे के पास होते हैं, लेकिन विद्युत रूप से जुड़े नहीं होते हैं) दोनों का गठन किया जाता है। सर्किट की स्थिति को बदलने से इन परजीवी धारिता में वोल्टेज में बदलाव होता है, जिसमें संग्रहीत ऊर्जा की मात्रा में बदलाव शामिल होता है। चूंकि कैपेसिटिव लोड को प्रतिरोधक उपकरणों के माध्यम से चार्ज और डिस्चार्ज किया जाता है, संधारित्र में संग्रहीत ऊर्जा की एक मात्रा को ऊष्मा के रूप में विघटित किया जाता है:

$E_{\mathrm {stored} }={1 \over 2}CU^{2}$

राज्य परिवर्तन पर ऊष्मा अपव्यय का प्रभाव गणना की मात्रा को सीमित करना है जो किसी दिए गए बिजली बजट के भीतर किया जा सकता है। जबकि डिवाइस संकोचन कुछ परजीवी धारिता को कम कर सकता है, एक एकीकृत सर्किट चिप पर उपकरणों की संख्या प्रत्येक व्यक्तिगत डिवाइस में कम धारिता (कैपेसिटेंस ) की भरपाई के लिए पर्याप्त से अधिक बढ़ गई है। कुछ सर्किट - डायनेमिक लॉजिक, उदाहरण के लिए - ठीक से कार्य करने के लिए न्यूनतम घड़ी दर की आवश्यकता होती है, जब वे उपयोगी गणना नहीं करते हैं, तब भी गतिशील शक्ति को अपक्षय करते हैं। अन्य सर्किट - सबसे प्रमुख रूप से, आरसीए (RCA) 1802, लेकिन कई बाद के चिप्स जैसे कि WDC 65C02, Intel 80C85, Freescale 68HC11 और कुछ अन्य CMOS चिप्स - पूरी तरह से स्थिर तर्क का उपयोग करें, जिसमें कोई न्यूनतम घड़ी दर नहीं है, लेकिन "घड़ी को रोक सकता है" और अनिश्चित काल तक अपनी स्थिति नियन्त्रित रख सकते है। जब घड़ी को रोक दिया जाता है, तो ऐसे सर्किट कोई गतिशील शक्ति का उपयोग नहीं करते हैं, लेकिन उनके पास अभी भी वर्तमान रिसाव के कारण एक छोटी, स्थिर बिजली की खपत होती है।

जैसे ही सर्किट आयाम सिकुड़ते हैं, सबथ्रेशोल्ड रिसाव करंट अधिक प्रमुख हो जाता है। यह रिसाव वर्तमान में बिजली की खपत में परिणाम होता है, तब भी जब कोई स्विचिंग नहीं हो रही है (स्थैतिक बिजली की खपत)। आधुनिक चिप्स में, यह वर्तमान मे आमतौर पर आईसी (IC) द्वारा उपभोग की गई आधी बिजली के लिए जिम्मेदार है।

बिजली की हानि को कम करना

सबथ्रेशोल्ड रिसाव से नुकसान को थ्रेसहोल्ड वोल्टेज को बढ़ाकर और आपूर्ति वोल्टेज को कम करके कम किया जा सकता है। ये दोनों परिवर्तन सर्किट को काफी धीमा कर देते हैं। इस मुद्दे को संबोधित करने के लिए, कुछ आधुनिक कम-बिजली वाले सर्किट के महत्वपूर्ण रास्तों पर गति में सुधार और गैर-महत्वपूर्ण रास्तों पर कम बिजली की खपत में सुधार के लिए दोहरी आपूर्ति वोल्टेज का उपयोग करते हैं। कुछ सर्किट भी सर्किट के विभिन्न हिस्सों में विभिन्न ट्रांजिस्टर (अलग -अलग थ्रेशोल्ड वोल्टेज के साथ) का उपयोग करते हैं, महत्वपूर्ण प्रदर्शन हानि के बिना बिजली की खपत को कम करने के प्रयास है।

एक अन्य विधि जो बिजली की खपत को कम करने के लिए उपयोग की जाती है, वह है पावर गेटिंग: उपयोग में न होने पर पूरे ब्लॉकों को अक्षम करने के लिए स्लीप ट्रांजिस्टर का उपयोग करते हैं। प्रणाली जो लंबे समय तक निष्क्रिय होते हैं और आवधिक गतिविधि करऩा शुरू कऱती हैं, अक्सर एक गतिविधि की निगरानी करने वाले एक अलग स्थान पर होते हैं। ये प्रणाली आमतौर पर बैटरी- या सौर-संचालित होती हैं और इसलिए, बिजली की खपत को कम करना इन प्रणालियों के लिए एक प्रमुख डिजाइन मुद्दा है। जब तक इसका उपयोग नहीं किया जाता है, तब तक एक कार्यात्मक लेकिन जिसमें छेद हो ब्लॉक बंद करके, रिसाव धारा को काफी कम किया जा सकता है। कुछ सन्निहित (एम्बेडेड) प्रणाली के लिए जो केवल एक समय में कम अवधि के लिए कार्य करते हैं, यह नाटकीय रूप से बिजली की खपत को कम कर सकता है।

अवस्था परिवर्तनों की शक्ति उपरि को कम करने के लिए दो अन्य दृष्टिकोण भी मौजूद हैं। एक सर्किट के ऑपरेटिंग वोल्टेज को कम करना है, जैसा कि एक दोहरे वोल्टेज सीपीयू में है, या अवस्था परिवर्तन में शामिल वोल्टेज परिवर्तन को कम करने के लिए (केवल एक अवस्था परिवर्तन करना, आपूर्ति वोल्टेज के एक अंश द्वारा नोड वोल्टेज को बदलना-वोल्टेज विभेदक सिग्नलिंग, उदाहरण के लिए)। यह दृष्टिकोण सर्किट के भीतर ऊष्मीय शोर द्वारा सीमित है। एक विशेषता वोल्टेज है (डिवाइस तापमान के लिए आनुपातिक और बोल्ट्ज मैन स्थिरांक के लिए), जो कि सर्किट के शोर के लिए प्रतिरोधी होने के लिए अवस्था स्विचिंग वोल्टेज को अधिक होना चाहिए। यह आमतौर पर 50-100 mV के क्रम पर होता है, 100 डिग्री सेल्सियस बाहरी तापमान (लगभग 4 kT, जहां T केल्विन्स और k में डिवाइस का आंतरिक तापमान है, जो बोल्ट्जमैन स्थिरांक है) के लिए रेटेड उपकरणों के लिए है।

दूसरा दृष्टिकोण उन रास्तों के माध्यम से संधारित्र लोड को आवेश प्रदान करने का प्रयास करना है जो मुख्य रूप से प्रतिरोधक नहीं हैं। यह स्थिरोष्म सर्किट के पीछे का सिद्धांत है। आवेश को या तो एक चर-वोल्टेज अधिष्ठापन का बिजली की आपूर्ति से या अन्य तत्वों द्वारा एक प्रतिवर्ती-लॉजिक सर्किट में आपूर्ति की जाती है। दोनों ही मामलों में, आवेश ट्रांसफर को मुख्य रूप से गैर-प्रतिरोधी लोड द्वारा विनियमित किया जाना चाहिए। अंगूठे के एक व्यावहारिक नियम के रूप में, इसका मतलब है कि एक संकेत की परिवर्तन दर धीमी होनी चाहिए जो कि सर्किट के संचालित होने वाले आरसी समय द्वारा निर्धारित की गई है। दूसरे शब्दों में, प्रति इकाई गणना में कम बिजली की खपत की कीमत गणना की कम पूर्ण गति है। व्यवहार में, हालांकि स्थिरोष्म सर्किट बनाए गए हैं, लेकिन व्यावहारिक सर्किटों में गणना शक्ति को काफी हद तक कम करना उनके लिए मुश्किल हो गया है।

अंत में, किसी दिए गए गणना से जुड़े अवस्था परिवर्तनों की संख्या को कम करने के लिए कई तकनीकें हैं। आच्छादित-लॉजिक सर्किट के लिए, क्लॉक गेटिंग तकनीक का उपयोग किया जाता है, कार्यात्मक ब्लॉकों की स्थिति को बदलने से बचने के लिए जो किसी दिए गए संचालन के लिए आवश्यक नहीं हैं। एक अधिक चरम विकल्प के रूप में, अतुल्यकालिक तर्क दृष्टिकोण सर्किट को इस तरह से लागू करता है कि एक विशिष्ट बाहरी रूप से आपूर्ति की गई घड़ी की आवश्यकता नहीं है। जबकि इन दोनों तकनीकों का उपयोग एकीकृत सर्किट डिजाइन में अलग -अलग विस्तार के लिए किया जाता है, प्रत्येक के लिए व्यावहारिक प्रयोज्यता की सीमा तक पहुंचती दिखाई देती है।

वायरलेस संचार तत्व

वांछित वायरलेस संचार गुडपुट के लिए आवश्यक बैटरी पावर की मात्रा को कम करने के लिए विभिन्न प्रकार की तकनीकें हैं। कुछ वायरलेस मेष नेटवर्क कम-शक्ति प्रसारण का उपयोग करते हैं | स्मार्ट कम पावर ब्रॉडकास्टिंग तकनीकें जो प्रेषित करने के लिए आवश्यक बैटरी पावर को कम करती हैं।यह तदर्थ पावर अवेयर प्रोटोकॉल और संयुक्त पावर कंट्रोल सिस्टम की सूची का उपयोग करके प्राप्त किया जा सकता है।

लागत

2007 में, औसत आईटी बजट का लगभग 10% ऊर्जा पर खर्च किया गया था, और इसके लिए ऊर्जा की लागत 2010 तक 50% तक बढ़ने की उम्मीद थी।

बिजली की आपूर्ति और शीतलन प्रणाली का वजन और लागत आम तौर पर अधिकतम संभव शक्ति पर निर्भर करती है जिसका उपयोग किसी भी समय में किया जा सकता है। एक प्रणाली को अत्यधिक गर्मी से स्थायी रूप से क्षतिग्रस्त होने से रोकने के दो तरीके हैं। अधिकांश डेस्कटॉप कंप्यूटर अधिकतम आवृत्ति, अधिकतम कार्यभार और सबसे खराब स्थिति में सबसे खराब स्थिति वाले सीपीयू पावर अपव्यय के आसपास पावर और शीतलन प्रणाली डिजाइन करते हैं। वजन और लागत को कम करने के लिए, कई लैपटॉप कंप्यूटर बहुत कम थर्मल डिज़ाइन पावर के आसपास डिज़ाइन किए गए एक बहुत ही हल्के, कम लागत वाले शीतलन प्रणाली का उपयोग करने के लिए चुनते हैं, जो कि अपेक्षित अधिकतम आवृत्ति, विशिष्ट कार्यभार और विशिष्ट वातावरण से कुछ हद तक ऊपर है। आमतौर पर इस तरह की प्रणालियाँ घड़ी की दर को कम करती हैं (जब सीपीयू का तापमान बहुत गर्म हो जाता है, तो बिजली को एक स्तर तक कम कर देता है जो शीतलन प्रणाली संभाल सकता है।

उदाहरण

• ट्रांसमेटा
• एकोर्न RISC मशीन (ARM)
• एमुलेट माइक्रोप्रोसेसर
• माइक्रोचिप नानोवाट XLP PIC माइक्रोकंट्रोलर्स
• टेक्सास इंस्ट्रूमेंट्स MSP430 माइक्रोकंट्रोलर
• एनर्जी माइक्रो/सिलिकॉन लैब्स EFM32 माइक्रोकंट्रोलर
• STM माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक STM32 माइक्रोकंट्रोलर
• एटमेल/माइक्रोचिप SAM L माइक्रोकंट्रोलर
• IoT पिक्सेल

यह भी देखें

• सीपीयू पावर अपव्यय
• सामान्य शक्ति प्रारूप
• कम शक्ति के लिए डेटा संगठन
• आईटी ऊर्जा मैनेजमेंट
• प्रदर्शन प्रति वाट
• ऊर्जा प्रबंधन
• हरित संगणना
• गतिशील आवृत्ति स्केलिंग
• ओवरक्लॉकिंग
• अंडरक्लॉकिंग
• गतिशील वोल्टेज स्केलिंग
• ओवरवॉल्टिंग
• अंडरवॉल्टिंग
• ऑपरेंड अलगाव
• व्यवधान हटाना
• स्वायत्त परिधीय संचालन

अग्रिम पठन

• Gaudet, Vincent C. (2014-04-01) [2013-09-25]. "Chapter 4.1. Low-Power Design Techniques for State-of-the-Art CMOS Technologies". In Steinbach, Bernd [in Deutsch] (ed.). Recent Progress in the Boolean Domain (1 ed.). Newcastle upon Tyne, UK: Cambridge Scholars Publishing. pp. 187–212. ISBN 978-1-4438-5638-6. Retrieved 2019-08-04. [3] (455 pages)

बाहरी संबंध

• "High-level design synthesis of a low power, VLIW processor for the IS-54 VSELP Speech Encoder" by Russell Henning and Chaitali Chakrabarti (NB. Implies that, in general, if the algorithm to run is known, hardware designed to specifically run that algorithm will use less power than general-purpose hardware running that algorithm at the same speed.)
• CRISP: A Scalable VLIW Processor for Low Power Multimedia Systems by Francisco Barat 2005
• A Loop Accelerator for Low Power Embedded VLIW Processors by Binu Mathew and Al Davis
• Ultra-Low Power Design by Jack Ganssle
• K. Roy and S. Prasad, Low-Power CMOS VLSI Circuit Design, John Wiley & Sons, Inc., ISBN 0-471-11488-X, 2000, 359 pages.
• K-S. Yeo and K. Roy, Low-Voltage Low-Power VLSI Subsystems, McGraw-Hill 2004, ISBN 0-07-143786-X, 294 pages.