Energy-efficient memories for wireless sensor networks
Leonardo Steinfeld
PhD thesis from Universidad de la República(Uruguay). Facultad de Ingeniería. IIE - 2013
Advisor: Luigi Carro
Co-advisor:
Research Group(s): Microelectronica (gme)
Department(s): Electrónica
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Resumen

Las redes de sensores inalámbricas (RSI o WSN, por sus siglas in inglés) agregan computación y sensado al mundo físico, posibilitando un rango de aplicaciones sin precedentes en muchos campos de la vida cotidiana, como por ejemplo monitoreo ambiental, manejo de ganado, cuidado de personas adultas mayores y medicina, solo por mencionar algunas. Una RSI consta de nodos sensores, los cuales representan un nuevo tipo de computadora embebida en red, caracterizada por tener grandes restricciones de recursos. El diseño de un nodo sensor presenta muchos desafíos, ya que es necesrio que sean, pequeños, confiables, de bajo costo y con muy bajo consumo de energía, ya que se alimentan de pilas o recolectan energía del medio. En un nodo sensor, la potencia instantánea del transceptor(radio)es usualmente algunos órdenes de magnitud mayor que la potencia de procesamiento. Sin embargo, la energía de comunicación es solamente dos veces mayor que la energía de procesamiento. Por otro lado, el escalado de la tecnología CMOS permite mayor performance a menores precios, posibilitando aplicaciones distribuidas más refinadas con más procesamiento local. El aumento de la complejidad de las aplicaciones requiere memorias de mayor tamaño, que a su vez aumenta el consumo de potencia. Este escenario empeora ya que las corrientes de fuga son cada vez más importantes en transistores de menor tamaño. En el presente trabajo de tesis se caracteriza el consumo de energía de un nodo sensor, y se investigan diferentes arquitecturas de memoria para ser integrado en las RSI futuras, mostrando como las memorias SRAM con un estado de sleep pueden ser convenientes en sistemas que operan con bajos ciclos de trabajo. Si además la memoria se divide en bancos que pueden ser controlados de manera independiente, se pueden poner los bancos inactivos en estado sleep, incluso cuando el sistema está activo. Aunque esta es una técnica conocida, los límites de ahorrro de energía no habían sido exhaustivamente determinados, ni tampoco la indluencia de la política de gestión de energía usado. Se propone un nuevo modelo detallado del ahorro de energía para bancos uniformes con dos políticas de gestión: best-oracle, y greedy. Nuestro modelo proporciona información valiosa de los factores fundamentales (provenientes del sistema y la carga de trabajo) que son escenciales para alcanzar el máximo ahorro alcanzable. Gracias a nuestro modelado, en tiempo de diseño se puede estimar el número óptimo de bancos para lograr grandes ahorros de energía. El problema de asignación del código a los bancos fue resuelto usando programación lineal entera. En el contexto de esta tesis, se realizaron experimentos usando dos aplicaciones reales de redes de sensores inalámbricas (basadas en TinyOS y ContikiOS). Los resultados mostraron una reducción de energía cercano a 80% para un overhead de partición de 1% con una memoria de diez bancos para una aplicación con gran carga. El ahorro depende del patrón de acceso a memoria y los parámetros de la memoria(tales como cantidad de bancos, overhead de partición, reducción de energía del estado sleep y el costo energético de wake-up. El ahorro de energía decrece para ciclos de trabajo bajos. Sin embargo, igualmente se alcanzan ahorros de energía significativos, por ejemplo, aproximadamente 50% para ciclos de trabajo de 3% usando la memoria anterior. Finalmente, nuestros resultados sugieren que debe ser cuidadosamente evaluado el uso de políticas de gestión de energía avanzados, ya que la política best-oracle es solo marginalmente mejor que la política greedy.

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