Suportando o projeto de arquiteturas Halvesting-aware para aplicações em FPGA

Abstract

Sistemas computacionais portáteis, como smartphones, tablets, câmeras etc., estão se tornando cada vez mais complexos por implementarem novas funcionalidades que não eram possíveis até alguns anos atrás. Sem conexão contínua à rede elétrica e dependentes de bateria como fonte de energia, torna-se um desafio projetar esses sistemas para que sejam capazes de se manterem operacionais durante um longo período de tempo sem recarga. Recentemente, a tecnologia de energy harvesting surgiu como uma forma de superar o problema de fornecimento de energia para este tipo de sistema. O conceito de energy harvesting significa coletar outras formas de energia disponíveis no ambiente e transformá-las em energia elétrica (KANSAL et al., 2007). Porém, para sistemas com energy harvesting, um modelo mais sofisticado é necessário para caracterizar o fornecimento e consumo da energia disponível: como utilizar a energia captada a uma taxa adequada, a fim de manter o sistema funcionando continuamente? Este paradigma foi chamado de “energy neutral operation mode” em (KANSAL et al., 2007) e significa que, durante todo o funcionamento, a energia consumida pelo sistema deve ser inferior à energia disponível, permitindo assim que a sua operação seja contínua e sem desligamento devido à falta de energia. Se por um lado a tecnologia de energy harvesting representa uma alternativa de fornecimento de energia, por outro lado, a complexidade da concepção do projeto aumenta, uma vez que elementos relativos à gestão do consumo de energia e adaptação do desempenho do sistema devem também estar presentes. Como forma de superar esse desafio, neste trabalho é proposto um novo modelo de arquitetura para a concepção de aplicações harvesting-aware em FPGA com o objetivo de reduzir a complexidade adicional de projeto inerente a este tipo de aplicação. A principal contribuição é um modelo de arquitetura capaz de tornar harvesting-aware aplicações síncronas em FPGA que usam energia solar como fonte alternativa de energia. A estratégia adotada consiste em adaptar o consumo de energia do sistema controlando a dissipação de potência dinâmica de acordo com a previsão de energia e os níveis de desempenho definidos pelo projetista. O modelo da arquitetura foi validado com uma implementação em Verilog sintetizável num FPGA Cyclone IV e as suas principais vantagens são: pode ser utilizada num amplo escopo de aplicações, uma vez que foi modelada para controlar sistemas síncronos; causa baixo impacto sobre a concepção do projeto, pois a sua utilização não implica mudanças no código fonte da aplicação. Além disso, a inclusão dos módulos da arquitetura no projeto acarretam um baixo overhead computacional em termos de área ocupada, consumo de energia e tempo de processamento. No estudo de caso apresentado, um conversor de RGB-YCrCb foi utilizado para validar os resultados obtidos através de simulação e medições no FPGA.