Möglichkeiten der Energieoptimierung

Die digitale Signalverarbeitung (DSP) umfasst eine Vielzahl von Techniken, mit der digitale Signale verbessert werden, um mehr Genauigkeit und Zuverlässigkeit zu erreichen. Die Welt ist von Natur aus analogen, aber Computer verarbeiten digitale Signale und sind daher auch immer Analog-Digital-Wandler. DSP hilft dabei, das eigentliche Signal vom Rauschen zu unterscheiden.

DSP-Anwendungen sind nahezu unbegrenzt. Dazu gehören digitale WLAN-Modems und Smartphones sowie Systeme für hochdynamische Prozesse wie die Gesundheitsüberwachung und Video- und Audioverarbeitung. Engineering-Systeme werden häufig so ausgelegt, um auch die extremsten Fälle zu berücksichtigen, auch DSP bildet da keine Ausnahme. Um für alle möglichen Fälle durchgängig die maximale Verarbeitungsgenauigkeit zu erreichen, wird sehr viel Energie benötigt.

Ein neuartiger Arbeitsrahmen für die dynamische Reduzierung der Genauigkeit in den Fällen, in denen sie nicht benötigt wird, könnte erhebliche Auswirkungen auf Energieverbrauch und -verschwendung haben. Das von der EU geförderte Projekt OPPORTUNISTIC-DSP entwickelte ein System für besonders energieintensive Anwendungen, bei denen eine Senkung einer möglicherweise unnötigen Rechenlast den Nutzen steigern könnte.

Die Wissenschaftler identifizierten eine Reihe von kontextspezifischen erleichterten Spezifikationen, optimierten Rechenprozesse (Operator, Anzahl und Präzision) und überwachten ständig die Ausführungsbedingungen, um Möglichkeiten für eine Vereinfachung zu finden. Es mag einfach erscheinen, aber das Umstellen von unendlicher Genauigkeit auf endliche Genauigkeit bei geeigneten Bedingungen hat großen Einfluss in einem hochkomplexen Rechenszenario. Angewendet auf den MIMO-Receiver (Multiple Input / Multiple Output) LTE (Long Term Evolution) von 3GPP (Third Generation Partnership Project) erreichte der Berechnungsrahmen eine Reduzierung des Energieverbrauchs von 40% im Vergleich zu den ursprünglichen Algorithmen.

Auch wenn das Konzept einfach ist, so bringt seine Umsetzung angesichts der Komplexität der Systeme, für die es eingesetzt werden soll, eine Reihe von Schwierigkeiten mit sich. Deshalb entwickelte das Team drei Ansätze, um eine höhere Automatisierung des Entwurfsprozesses für möglichst geringe Komplexität zu ermöglichen.

Die digitale Darstellung der Welt ist zur Norm geworden, wobei die Berechnungen routinemäßig schnell von DSP-Geräten und Computern durchgeführt werden. OPPORTUNISTIC-DSP machte wesentliche Fortschritte in Richtung von Algorithmen und Techniken, die die Genauigkeit auf intelligente Weise durch opportunistische Annäherungen reduzieren können. Diese Techniken führten zu einer erheblichen Minderung des Energieverbrauchs im Vergleich zu jeder anderen herkömmlichen Energiespartechnik, ohne dabei die Funktionalität zu beeinträchtigen. So stellt die opportunistische Signalverarbeitung vielleicht einen wichtigen Weg dar, um die Rechenlast zu reduzieren und dadurch den Stromverbrauch und die damit verbundenen Emissionen zu verringern.