Zuinigheid centraal bij nieuwe chips IBM
De grote nadruk op het energieverbruik is zowel een gevolg van de opkomst van mobiele apparaten als handhelds en mobiele telefoons als het besef ‘dat energie niet gratis is’, zoals IBM-onderzoeker Gary Carpenter het verwoordt. Daarnaast begint de hitteproductie bij servers en routers zulke grote probleem op te leveren, dat er ook daar behoefte ontstaat aan zuinige processors. Vooral bij de 405LP is IBM erin geslaagd om grote energiebesparingen te bereiken, oplopend tot 90 procent. De chip is bedoeld voor gebruik in mobiele apparaten als handhelds en laptops, maar ook voor kabel- en DSLmodems, routers en hardware voor GSM-zendmasten. Om de energiebesparingen te realiseren, heeft het bedrijf een hele reeks nieuwe technieken ingebouwd. Zo wordt de processorkern ontlast door software accelerators in de chip. Er zijn gespecialiseerde versnellers voor spraakherkenning en versleuteling. Daarnaast is er een compressor die de data nog eens samenperst voordat die naar de processorkern gaat. De energiebesparing wordt verder gerealiseerd door een flexibele kloksnelheid, flexibel voltage en clock gating, waarbij ongebruikte delen van de processor worden uitgeschakeld. “Vooral het flexibele voltage leverde problemen op”, vertelt onderzoeker Gary Carpenter van IBM. “Touch panels zoals die bij handhelds worden gebruikt, kunnen niet overweg met het flexibele voltage.” De logische oplossing zou het aanleggen van een apart energiecircuit voor het scherm zijn, maar dat legt weer een extra claim op de energiebehoefte. Carpenter loste dit probleem op door een interface voor het scherm in de processor op te nemen, waardoor de interface van het scherm zelf overbodig wordt. Maar daarmee waren nog niet alle problemen opgelost. Doordat de processor zo zuinig is, ontstonden er problemen bij het stand-by zetten van de chip. De 4050LP heeft een zeer laag drempelvoltage van 0,9 volt. Wanneer de elektrische spanning verder zakt, functioneert de processor niet meer. Als de handheld of mobiele telefoon in de zogenaamde vriesmodus stand-by wordt gezet, worden alle gegevens opgeslagen in de geheugenchips die daarvoor energie vragen. De geheugenchips eisen een spanning van 1 volt, hoger dan de drempelwaarde van de processor. Doordat deze meer spanning krijgt dan de drempelwaarde gebruikt de chip de stroom om zichzelf te activeren. Dit staat bekend als lekkage. Een alternatief is de zogenaamde winterslaapmodus. Hierbij wordt de toestand van de software opgeslagen waarna het gehele systeem wordt uitgeschakeld. Hoewel er hier geen lekkage optreedt, moet het hele systeem opnieuw worden opgestart om uit de winterslaap te ontwaken. Dit kost enkele seconden, terwijl dit bij de vriesmodus vliegensvlug gaat. De oplossing van Carpenter bestaat uit de Cryo-modus. Hierbij wordt het gehele systeem opgeslagen in geheugen dat geen energie nodig heeft, waarna alle stroom wordt uitgeschakeld. Bij ontwaking kan de toestand in enkele tienden van seconden hersteld worden, terwijl er geen lekkage optreedt. De energiebesparing bij de PowerPC 750FX is minder imposant dan bij de 405LP. Hier komt de energiebesparing vooral door het gebruik van de silicium-op-isolator techniek bij de productie. De besparing is nauwelijks een gevolg van het ontwerp. Door de toepassing van silicium op isolator loopt de processor 20 tot 30 procent sneller, of eist bij een gelijke kloksnelheid 50 procent minder energie. In het ontwerp zijn er daarnaast een aantal verbeteringen aangebracht die de snelheid moeten vergroten. Zo maakt de chip gebruik van zowel een L1 als L2 geheugen. Het L2 geheugen beschikt over een slot dat ervoor zorgt dat kritische gegevens worden vastgehouden zodat die niet elke keer opnieuw opgehaald worden. Ook is ten opzichte van de voorloper, de 750CXe processors, het aantal BAT registers verdubbeld naar acht stuks en kunnen deze voortaan blokken van 8 Kb verweken. De BAT registers zorgen voor het wegschrijven en terughalen van virtueel geheugen. De processor is geschikt voor de Apple G4-computers, die nu nog allemaal zijn voorzien van chips van Motorola. Daarnaast hebben bedrijven als Epson en Kyocera al belangstelling getoond om de 750FX in hun printers in te bouwen en wil Nokia ze gebruiken in zijn communicatieapparatuur.