SERIE OG PARALLELL: Dette bildet viser tydelig at den serielle kretsen (den rektangulære) tar langt mindre plass enn den parallelle.
KLAR TIL Å MÅLE: Dr. ing. Snorre Aunet ved Institutt for informatikk ved Universitetet i Oslo venter i spenning på å motta sin første subterskelkrets. Måleutstyret står klart for å verifisere de teoretiske resultatene. (Bilde: Finn Halvorsen)
(Bilde: Finn Halvorsen)
(Bilde: Finn Halvorsen)
SERIE OG PARALLELL: Dette bildet viser tydelig at den serielle kretsen (den rektangulære) tar langt mindre plass enn den parallelle.

Mikrobrikker på sparebluss sparer energi

  • datatele

Dette er fordelene:

- Subterskel operasjon

- Seriell addisjon

- Enkelt redundant konsept

Dette høres ut til å være for godt til å være sant.

Særlig når løsningen i tillegg gir brikker som er billigere å produsere, som trenger mindre plass, og som til alt overmål kan vise seg å være mer pålitelige og driftssikre enn dagens mikrobrikker.

Ser i postakassa

Ikke desto mindre venter forsker Snorre Aunet ved Institutt for informatikk på Universitetet i Oslo (UiO) at det dukker opp en slik brikke i postkassa hvilken dag som helst.

Sammen med Birkeland Innovasjon har han patentsøkt et konsept og bestilt en testbrikke som skal brukes til å sjekke ut de teoretiske dataene.





Lekkasje

En transistor virker som en bryter som slår strømmen på eller av ved hjelp av en spenning mellom gate og source.

Men selv når strømmen er slått av, i det som kalles subterskel-området, slipper transistoren gjennom en liten lekkasjestrøm som kan ligge i størrelsesorden en prosent av typisk strøm i standard operasjonsområde.

Hemmeligheten

- Hemmeligheten ligger i å endre denne lekkasjestrømmen ved en liten spenningsendring på typisk mindre noen få hundre millivolt mellom to av terminalene. En endring i størrelsesorden 60-80 mV vil endre lekkasjestrømmen med en faktor ti. På denne måten kan bryterfunksjonen i transistoren styres ved en mye lavere effekt, sier Aunet.

Han iler til med å si at dette ikke er noe nytt, og heller ikke noe som er oppdaget eller funnet opp ved UiO. Prinsippene har vært kjent siden før 1970-tallet.

Så kan man selvsagt lure på hvorfor prinsippene ikke er tatt i bruk i praktiske anvendelser tidligere.

– Det henger sammen med at behovet ikke har vært tilstede i noen større grad. Vi har sett noen mer eksotiske anvendelser som nevromorf elektronikk hvor transistorer brukes i subterskelområdet for å etterligne komponenter i biologiske nervesystemer, for eksempel syn og hørsel, sier Aunet.





Som en kokeplate

Men grunnen til at interessen er sterkt økende nå, er den enorme varmeutviklingen man har i dagens og i kommende generasjoner prosessorer. Allerede i dag kan en Pentium-prosessor bli nesten like varm som en kokeplate.

- Dersom utviklingen med stadig mindre linjebredder og flere transistorfunksjoner pr flateenhet skal fortsette, mener en del at det kan bli helt nødvendig å innføre subterskelteknologi. Minste injebredder og dimensjoner hos enkelttransistorer er allerede i dag på størrelse med diameteren hos et virus, og dersom utviklingen fortsetter kommer vi på nivå med en DNA-streng. I dette bildet blir stor effekt per arealenhet et enda større problem, sier Aunet.

I tillegg kommer det stadig økende antall elektronikkprodukter beregnet for mobilt bruk som er avhengig av en noenlunde brukbar batterilevetid. Det er derfor ikke overraskende at Nokia i samarbeid med Massachusetts Institute of Technology har under utvikling en videokompresjonsbrikke hvor ”avslåtte transistorer” skal benyttes.





Medaljens bakside

Ulemper med løsningen er en redusert hastighet i prosesseringen av signalene og økt følsomhet for støy. Med lavere strøm tar det tilsvarende tid å oppdatere hver enkelt node. Dermed har løsningen så langt vært lite aktuell i prosessorer. Aktuelle bruksområdene har mer vært lavytelse til medium ytelse anvendelser, sier Aunet. Han nevner i den sammenheng sensornettverk og andre anvendelser som tar energien fra omgivelsene på en eller annen måte.

Men Aunet trekker frem ytterligere fordeler. Tradisjonelt benyttes parallell addisjon i prosessorer for å øke hastigheten. Men når man først opererer i subterskelområdet er det mulig å lage en seriell krets like rask som en parallell ved kun en liten økning i forsyningsspenningen, samtidig som bedre energiøkonomi kan oppnås

- Dette er svært gode nyheter. For seriekretser krever langt færre transistorer og bare rundt 10 prosent av arealet til en parallell krets med tilsvarende kapasitet, for 32-bits ordbredde. Dessuten har seriekretsen en lang rektangulær struktur i motsetning til parallellkretser som er mer kvadratiske. Slike lange strukturer er mye lettere å passe inn i en brikkeløsning der de kombineres med redundans. Blant annet gir det færre ledere, sier Aunet.





Større pålitelighet

Og Aunet kan kanskje ha enda et godt kort i ermet, nemlig redundans. I tillegg til at en seriell aritmetikkrets i seg selv er enklere og mer pålitelig enn en parallell, gjør den rektangulære formen det mye lettere å lage både doble og triple systemer på en energieffektiv måte. Dermed blir ikke en feil i en transistor fatal, slik tilfellet er i parallelle prosessorer. Dette kan være av uvurderlig viktighet for eksempel i oljeinstallasjoner på havbunnen eller andre steder der sterk slitasje på kretsløp følger av for eksempel høye temperaturer.

- Det er ingen grunn til å ”ta av”, foreløpig. Fortsatt leter vi etter så vel ”skjær i sjøen” som nyttige muligheter forbundet med dette. Arbeidet er spennende og vi arbeider videre med forholdsvis godt mot, så får vi se hva fratiden vil vise, sier Aunet.