Anzeige
Anzeige
Anzeige
Anzeige
Anzeige
Beitrag drucken

Grüne Embedded-Systeme

Eingebettete Systeme sind weit verbreitet, entsprechend summieren sich auch die Einsparungen beim Verbrauch der Rechner. Doch die Einführung energiesparender Gerätegenerationen könnte an den Mehrkosten für die Hersteller scheitern.

Bild: Fraunhofer IIS/ARM

So genannte ‚Embedded Systems‘ finden sich in zahlreichen Geräten, vom Fernseher bis zu Automatisierungskomponenten der Produktionstechnik. Das Schlagwort ‚Eingebettetes System‘ bezeichnet einen Rechner, der aus Hard- und Softwarekomponenten besteht und eine festgelegte Aufgabe in einem technischen Umfeld erledigt. Gerade die große Verbreitung dieser Komponenten bietet signifikantes Potenzial für Energieeinsparungen. Reduziert man etwa die elektrische Leistungsaufnahme eines kontinuierlich laufenden DSL-Routers um ein Watt, so lassen sich bei einer Million Geräte 8,8 Millionen Kilowattstunden pro Jahr einsparen. Das entspricht der Energiemenge, die zwei mittelgroße Biogaskraftwerke in der gleichen Zeit erzeugen.

Powermanagement in eingebetteten Systemen

Ziel von ‚Green Embedded Systems‘ ist es, die Energieaufnahme sowohl im Regelbetrieb als auch im Standby deutlich zu reduzieren, ohne dass der Benutzer Einschränkungen in Funktionalität oder Leistungsfähigkeit hinnehmen muss. Es gibt drei Hauptansatzpunkte, um die Energieeffizienz eines eingebetteten Systems zu steigern:

  • Verwendung besonders energiesparender Bauelemente auf Hardwareebene und Design effizienter Netzteilstrukturen
  • Effizientes Powermanagement im Bereich der hardwarenahen Betriebssystemfunktionalität
  • Effizientes Powermanagement auf Seite der Applikationssoftware

Für die Energieeffizienz des eingebetteten Systems spielt bereits die Auswahl der Hardwarekomponenten eine entscheidende Rolle. Das Einsparpotenzial, das im Hardwaredesign nicht genutzt wurde, kann auch durch Powermanagement im Bereich des Betriebssystems und der eigentlichen Systemanwendung kaum kompensiert werden. In den letzten Jahren konnten die Halbleiterhersteller Komponenten wie Prozessoren, Speicher und Kommunikationsschnittstellen hinsichtlich der Energieaufnahme deutlich optimieren. Eine besondere Rolle spielt dabei der Speicher. Im Gegensatz zum PC-Bereich verbrauchen Speicherbausteine in eingebetteten Systemen je nach Typ mindestens ebenso viel Energie wie der Prozessor.

Insbesondere die Beliebtheit von Embedded Linux als Betriebssystem mit seinem erhöhten Ressourcenbedarf erfordert häufig mehr Speicherplatz und erhöht somit den Energieverbrauch. Meist scheitert ein energieeffizientes Hardwaredesign auch an mangelnder Verfügbarkeit und den hohen Kosten passender Speichertypen. Auch das Netzteildesign trägt einen entscheidenden Anteil an der Energieaufnahme eines eingebetteten Systems. Moderne elektronische Bauelemente benötigen eine Vielzahl verschiedener Spannungen, die aus Kostengründen meist aus einer festen Spannung abgeleitet werden. Für solche Netzteilstrukturen spielt neben der richtigen Architektur vor allem die Auswahl effizienter Spannungsregler eine große Rolle.

Powermanagement im Betriebssystem

Das Energiesparpotenzial im Softwarebereich hängt grundlegend davon ab, wie viel das System innerhalb eines Zeitraums leisten muss. Kontinuierlicher Volllast-Betrieb unter Nutzung aller Kommunikationsschnittstellen verhindert häufig eine signifikante Einsparung bei der Energieaufnahme. Batteriebetriebene eingebettete Systeme mit einer garantierten Laufzeit von zehn Jahren befinden sich den größten Teil der Zeit im energiesparenden Standby-Betrieb. Nur während einer kurzen Aktivitätsperiode, für die sie aus dem Ruhezustand ‚aufwachen‘, führen sie ihre eigentliche Aufgabe aus. Komplexe und leistungsfähige Systeme verhalten sich vergleichbar. Allerdings ergeben sich bei diesen Anwendungen kaum Phasen, in denen über einen längeren Zeitraum die komplette Verarbeitung abgeschaltet werden kann.

Diese Applikationen erfordern andere Strategien zur Energieeinsparung. So reduziert das Powermanagement bei einem geringeren Bedarf an aktueller Prozessorleistung zuerst die Taktfrequenz des Prozessors. In einem nächsten Schritt lässt sich dann die Versorgungsspannung des Prozessors herunter regeln. Eine alternative Lösung bietet das gezielte Umschalten des Prozessors zwischen Standby- und Volllast-Betrieb. Leider weisen nur neuere Controller eine geeignete Architektur auf, um diese Schaltvorgänge in wenigen Taktzyklen effizient und automatisiert durchzuführen. Eine besondere Rolle für die Beeinflussung von Prozessorbetriebsarten, -takt oder -spannung spielt die interne Zyklusrate des Betriebssystems. Embedded Linux hat in der Regel eine Zykluszeit von zehn Millisekunden. Nur in diesem Zeitraster kann es Powermanagementfunktionen steuern.

Dagegen bietet ein am Fraunhofer IIS speziell für Energieeffizienz ausgelegtes und funktional erweitertes Echtzeitbetriebssystem Reaktionszeiten von einer Millisekunde. So kann auch bei Inaktivitäten im Bereich einer Millisekunde der Controller gezielt in den Low-Power-Betrieb versetzt werden, woraus sich weitere Energieparmöglichkeiten für das System ergeben.


Das könnte Sie auch interessieren:

Gerade bei innovativen Technologien wie künstlicher Intelligenz ist die Bedienung nicht erste Priorität der Softwarehersteller. Aus Sicht der Industrie ist das bedauerlich, denn anlagennah Beschäftigte haben oft die interessantesten Impulse für werksnahe KI-Projekte. Über integrierte Explainability rücken KI-Tools nun näher an die Prozessspezialisten heran.‣ weiterlesen

Der Begriff Industrie 4.0 ist nun schon seit fast einem Jahrzehnt präsent. Seitdem haben viele Industrieunternehmen neue Technologien ausgerollt und Produktionslayouts sowie -prozesse überarbeitet. Was hat sich auf dem Weg zur vernetzten und digitalisierten Produktion getan und was wirkt auf diese Entwicklung?‣ weiterlesen

Hinter neuen Geschäftsmodellen und Strategien sollte der Grundgedanke stehen: Was wollen die Kunden? Es geht darum, neue Strategien nicht nur am reinen Verkauf auszurichten, sondern sich an realen Bedürfnissen zu orientieren. Erst das sorgt für eine langfristige Bindung an das Unternehmen.‣ weiterlesen

Beim allem technologischen Fortschritt sollten Nutzer nicht die IT-Sicherheit aus dem Blick verlieren. Der elfte State of Software Security (SoSS) Report zeigt, dass die Fertigungsindustrie im Vergleich zu anderen Branchen im Bereich der Anwendungssicherheit schlecht abschneidet. Julian Totzek-Hallhuber, Principal Solution Architect von Veracode, fasst die Ergebnisse zusammen.‣ weiterlesen

Schneider Electric bringt mit Harmony P6 neue Industrie-PCs auf den Markt. Alle Modelle sind mit Intel-Prozessoren der 8. Generation und 4 bis 32GB RAM Arbeitsspeicher ausgestattet. ‣ weiterlesen

Seit Januar 2020 ist das Forschungszulagengesetz in Kraft. Mit dieser Forschungszulage können Unternehmehn ihre Innovationen fördern lassen. Marcus Arens, Director Sales & Marketing bei Ayming, zeigt, was Unternehmen beim Beantragen beachten sollten.‣ weiterlesen

Lieferengpässe drücken die Stimmung der deutschen Wirtschaft. So gehen die Indexwerte von Industrie, Handel und Dienstleistungen im Oktober zurück. Lediglich aus dem Bauhauptgewerbe kommen positive Signale.‣ weiterlesen

Produktionsabläufe und Wartungsmodelle werden schon länger auf der Basis von Daten optimiert. Doch gut integrierte IIoT-Plattformen ermöglichen heute Prozesse, die zu deutlich besseren Ergebnissen und einer neuen Form der Zusammenarbeit führen können.‣ weiterlesen

Die EU soll bis 2050 klimaneutral werden – über den European Green Deal und eine Abgabe auf CO2-Emissionen. Fraunhofer-Forschende unterstützen Unternehmen bei der Reduktion ihrer Emissionen mittels Net-Zero-Technologien.‣ weiterlesen

Universal Robots (UR) baut sein Vertriebsnetz in Deutschland aus. Mit SCS Robotik, JDT Robotics, PTS Automation sowie der Somack sind vier neue Partner hinzugekommen.‣ weiterlesen

Im seinem neuen Lagebericht zur IT-Sicherheit in Deutschland fordert das Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik der Cybersicherheit eine stärkere Bedeutung beizumessen. Die Gefährdungslage sei hoch, so Bundesinnenminister Horst Seehofer.‣ weiterlesen

Anzeige
Anzeige
Anzeige
Anzeige
Anzeige
Anzeige