Consumo Energético en Sistemas Digitales


Arquitectura de Computadores Energía Electrónica Consumo Energético Eficiencia Energética Sistemas Digitales Telecomunicaciones

El consumo energético hace referencia a la cantidad de energía utilizada por unidad de tiempo, siendo de gran importancia en los sistemas digitales y, por ende, en las arquitecturas de computadores. Aunque el mundo real es analógico, los diseñadores digitales, ingenieros y arquitectos electrónicos de computadores emplean un subconjunto discreto de señales posibles, siendo de especial relevancia y popularidad las variables binarias que operan con los estados 0 y 1 (LOW/HIGH, FALSE/TRUE). Todos estos sistemas están compuestos de puertas lógicas, permitiendo ofrecer todo tipo de estados y combinaciones operacionales, generalmente construidas a partir de transistores CMOS, comportándose como interruptores controlados eléctricamente.

La duración de las baterías en sistemas móviles y portables está fuertemente limitada por sus consumos energéticos, siendo uno de los grandes retos existentes en dispositivos móviles, embebidos e IoT (Internet-of-Things), smartphones y todo tipo de gadgets informático-electrónicos. Esto no quiere decir que en sistemas fijos y dispositivos estacionarios carezca de importancia, pues un elevado consumo energético supone un incremento de los costes eléctricos y fomentan problemas de sobrecalentamiento.

Los sistemas digitales consumen tanto potencia estática como dinámica. La potencia dinámica es aquella que se utiliza para cargar la capacitancia a medida que las señales cambian entre 0 y 1. Por otro lado, la estática es aquella potencia utilizada incluso cuando las señales no cambian de valor y el sistema está en reposo (idle).

Las puertas lógicas y los cables que las unen ofrecen una capacitancia. La energía consumida por la fuente de alimentación para cargar la capacitancia C al voltaje V es CV^2. Si el voltaje del condensador cambia a una frecuencia f, es decir, f veces por segundo, carga el condensador \frac{f}{2} veces y descarga otras \frac{f}{2} veces por segundo. Descargar no consume energía de la fuente de alimentación, así que la potencia dinámica consumida es la representada en la fórmula siguiente:

Potencia dinámica en sistemas digitales (1/2)f CV^2

P_{dinámica}\ =\ \cfrac{1}{2}\ C\cdot{}V^2_{DD}\cdot{}f

Por otro lado, como se ha mencionado, los sistemas eléctricos consumen corriente incluso si están sin uso. Cuando los transistores están apagados (OFF), tienen unas pequeñas fugas de corriente (pérdidas). La corriente estática total, I, también se denomina corriente de pérdidas (leakage current) o corriente de suministro inactiva/de reposo (quiescent supply current), fluyendo entre V y tierra (GND). El consumo de potencia estática es proporcional a la corriente estática, tal y como se muestra en la fórmula mostrada a continuación:

Potencia estática en sistemas digitales I V

P_{estática}\ =\ I_{DD}\cdot{}V_{DD}

Para entender estas implicaciones a través de un ejemplo simplificado, se considera un dispositivo embebido portátil, por ejemplo, un smartphone que opera con una batería de 16 Wh (vatios-hora) a 0,944 V. Cuando está siendo usado, opera a 670 MHz, asumiendo una capacitancia promedio en el chip de unos 10 nF, para cualquier momento dado y sus cambios de estado. Además, cuando está siendo utilizado, se considera la difusión-propagación (broadcasting) de las ondas 4G así como el establecimiento de los protocolos para garantizar la calidad de servicio, consumiendo 1,1 W de potencia a través de su antena integrada. Ahora bien, cuando el dispositivo está en modo ahorro de energía y activado el modo avión, la potencia dinámica prácticamente cae a cero, ya que el procesamiento de señal y los coprocesadores necesarios están apagados y desactivados siguiendo políticas de ahorro de energía. Aun así, el teléfono tiene una corriente de suministro de reposo de 53 mA, independientemente a si está siendo usado o no.

De este modo, la vida de la batería del dispositivo presenta dos variantes en función del uso del teléfono y sus comunicaciones. Si no se utiliza y se mantiene en modo avión, la potencia estática es de 50 mW, haciendo que la batería dure alrededor de 8 días:

\begin{aligned} P_{estática}\ =\ 0,053\ \textrm{A}\cdot{}0,944\ \textrm{V}=\ \sim{}50\ \textrm{mW}\\ \\ {\small \textit{Duración\enspace{}de\enspace{}la\enspace{}batería}_{\ modo\ ahorro}}\ =\ \frac{16\ \textrm{Wh}}{0,050\ \textrm{W}}\ =\ 320\ \textrm{horas} \end{aligned}

En cambio, si se utiliza el dispositivo, la potencia dinámica es de 2,98 W. Además, hay que considerar la potencia estática (la misma que en el caso anterior) y la potencia de propagación por comunicaciones y su antena, acumulando alrededor de 4,13 W de consumo, y por ende, limitando la vida útil unas 83 veces, es decir, no alcanzando ni 4 horas de duración.

\begin{aligned} P_{estática}\ =\ 0,053\ \textrm{A}\cdot{}0,944\ \textrm{V}=\ \sim{}50\ \textrm{mW}\\ \\ P_{dinámica}\ =\ \frac{1}{2}\cdot{}10^{-8}\ \textrm{F}\cdot{}(0,944\ \textrm{V})^2\cdot{}6,7\cdot{}10^8\ =\ \sim{}2,98\ \textrm{W}\\ \\ {\small \textit{Duración\enspace{}de\enspace{}la\enspace{}batería}_{\ uso}}\ =\ \frac{16\ \textrm{Wh}}{2,98\ \textrm{W}\ +\ 0,050\ \textrm{W}\ +\ 1,1\ \textrm{W}}\ =\ \sim{}4\ \textrm{horas} \end{aligned}

consumo energético del dispositivo móvil cuando está apagado y en uso alcanzando hasta 4,13 W

Consumo energético del dispositivo móvil cuando está en ahorro de energía (modo avión) o siendo usado completamente y con soporte 4G, alcanzando hasta 4,13 W y limitando la vida útil de la batería a poco menos de 4 horas.

Estos aspectos son fundamentales para comprender la importancia del consumo energético y el aprovechamiento de las baterías, cómo influyen los diseños electrónicos en estas características, así como algunas de las métricas para determinar las posibilidades de explotación de la eficiencia energética en nuestras aplicaciones y dispositivos.

Artículo actualizado: fórmulas seleccionables y copiables, gráfico vectorial a modo resumen, así como mejoras de visualización y accesibilidad.

Este sitio web emplea cookies propias y de terceros para analizar el tráfico y ofrecerle una mejor experiencia. Al navegar o utilizar nuestros servicios el usuario está aceptando su uso.Más información.