L'efficienza energetica è diventata una priorità assoluta nella progettazione elettronica dei dispositivi embedded, vista la crescente diffusione di applicazioni che richiedono un funzionamento continuo in assenza di alimentazione diretta o con risorse energetiche limitate.
Una panoramica introduttiva
A differenza dei computer tradizionali, i dispositivi embedded operano spesso in ambienti nei quali le risorse energetiche possono essere limitate o intermittenti. Pensiamo ad esempio ai sensori di rete distribuiti in ambienti remoti, ai sistemi wearable o agli oggetti IoT intelligenti e interconnessi che devono funzionare per giorni, mesi o addirittura anni, senza richiedere la sostituzione o la ricarica delle batterie. In questi scenari, la gestione del consumo energetico diventa un fattore progettuale per garantire l’affidabilità e la longevità del dispositivo. L'obiettivo principale per i progettisti elettronici è dunque trovare il giusto compromesso tra la potenza di elaborazione ed il consumo energetico che ne deriva. Il rapporto tra potenza computazionale e consumi rappresenta oggi uno degli aspetti chiave nella progettazione dei dispositivi embedded, specialmente in applicazioni dove la disponibilità energetica è limitata, come accade nei dispositivi portatili, IoT o sensori remoti. La potenza di calcolo influisce direttamente sul consumo di energia, ciò avviene attraverso diversi parametri come la frequenza di clock, la tensione operativa e l'efficienza dell'architettura hardware. Come abbiamo detto in precedenza, la potenza di calcolo è generalmente proporzionale al consumo energetico, basti pensare ai potenti processori che richiedono una maggiore quantità di energia per funzionare. Ed è proprio qui che entrano in gioco le tecniche di ottimizzazione energetica.
Le moderne architetture embedded devono essere in grado di scalare dinamicamente la loro potenza di calcolo in base ai carichi di lavoro, riducendo il consumo quando le operazioni non lo richiedono. Nei dispositivi embedded, il consumo energetico di un processore è principalmente dovuto alla commutazione dei transistor nei circuiti digitali, che richiede energia per caricare e scaricare le capacità associate ai nodi logici, tuttavia, l'efficienza energetica non dipende solo dalla progettazione hardware; anche il software ha un impatto significativo. Vediamo come. Algoritmi inefficienti, cicli di clock inutili o accessi frequenti alla memoria possono aumentare significativamente il consumo energetico. L'ottimizzazione del codice, attraverso la riduzione del numero di operazioni necessarie per svolgere un determinato compito, contribuisce a diminuire la quantità di energia utilizzata; ad esempio, un algoritmo di ordinamento può essere ottimizzato per diminuire il numero di cicli di clock necessari. Riducendo il numero di operazioni, si riduce anche il tempo in cui il processore deve rimanere attivo a piena potenza, abbassando così il consumo complessivo. In aggiunta, tecniche come la gestione intelligente della memoria (cache management) o la riduzione degli accessi alla memoria esterna, possono contribuire a ridurre ulteriormente il consumo di energia. Molti processori embedded offrono modalità "low-power" per le periferiche, consentendo di disattivare dinamicamente i moduli non necessari, per ridurre i consumi.
La sfida dell'efficienza nei sistemi embedded - consumo energetico e tecniche di ottimizzazione delle prestazioni
Uno degli aspetti fondamentali nella progettazione dei moderni dispositivi embedded è il compromesso tra prestazioni e risparmio energetico. Il tutto viene gestito tramite tecniche che bilanciano dinamicamente il carico di lavoro e le risorse disponibili. Se un sistema necessita di elevata potenza di calcolo per brevi periodi di tempo, può funzionare a piena velocità, ovvero con tensione e frequenza elevate, solo durante questi momenti, e poi entrare rapidamente in una modalità di basso consumo. Al contrario, in scenari in cui il carico computazionale è costante ma ridotto, il sistema può funzionare ad una frequenza più bassa per ottimizzare il consumo, evitando sprechi inutili. I consumi di energia nei dispositivi embedded provengono principalmente da tre fonti: il processore, la memoria e i moduli di comunicazione. Il processore è spesso il componente più affamato di energia, specialmente quando esegue calcoli intensivi, tuttavia, anche nei momenti di inattività, un processore mal ottimizzato può continuare a consumare quantità significative di energia, problema, questo, che viene affrontato con tecniche note come "Dynamic Voltage and Frequency Scaling" (DVFS), un metodo che permette al processore di ridurre dinamicamente la tensione e la frequenza di funzionamento, riducendo in tal modo il consumo energetico durante i periodi di bassa attività. La memoria rappresenta un'altra rilevante fonte di consumo, poiché ogni accesso a RAM o flash richiede energia. Anche qui, esistono tecniche per minimizzare i consumi, come la gestione intelligente della cache e l'uso di tecnologie di memorie non volatili a basso consumo. Infine, i moduli di comunicazione, come Wi-Fi, Bluetooth o Zigbee, richiedono notevoli quantità di energia per la trasmissione e la ricezione di dati. Al fine di minimizzare l'impatto energetico, i dispositivi possono entrare in modalità di sospensione o di riduzione della potenza quando non è necessaria la comunicazione. Le tecniche di risparmio energetico per i sistemi embedded sono molteplici e coinvolgono sia l'hardware che il software. A tal proposito, una delle soluzioni più diffuse è l'utilizzo delle modalità "sleep" o "deep sleep", che permettono di ridurre il consumo energetico del dispositivo quando non è in uso. In modalità sleep, il sistema mantiene uno stato di base di operatività, ma con un consumo molto ridotto; la modalità deep sleep, invece, arresta quasi completamente il funzionamento del dispositivo, mantenendo attive solo le funzioni essenziali, come l'RTC (Real-Time Clock) o i timer per risvegliarlo in base a eventi predefiniti.
Oltre alle modalità di sleep, una tecnica largamente impiegata è l'ottimizzazione del ciclo di lavoro. Nei dispositivi embedded che eseguono operazioni periodiche, ridurre il tempo attivo e aumentare i periodi di inattività può portare a enormi risparmi energetici, circostanza questa che si rivela particolarmente utile nei sensori wireless che trasmettono dati solo a intervalli regolari, permettendo al dispositivo di rimanere in modalità di sospensione tra una trasmissione e l'altra. Una ulteriore metodologia efficace è l'ottimizzazione del codice software. I compilatori moderni offrono strumenti per analizzare il consumo energetico del software e ottimizzare l'uso delle risorse, ad esempio, l'uso di algoritmi più efficienti e una gestione ottimizzata dei thread possono ridurre notevolmente i cicli di clock necessari per eseguire una determinata operazione, riducendo il consumo complessivo.
Quali sono oggi le soluzioni a basso consumo energetico disponibili sul mercato elettronico
All'interno del vastissimo ecosistema dell'elettronica embedded, ci sono diverse schede e chip a basso consumo che sono stati progettati specificamente per applicazioni che richiedono maggiore efficienza energetica (dispositivi IoT, wearable, sensori wireless, etc.). Con l'attenzione crescente verso la sostenibilità e l'efficienza, il mercato delle schede di sviluppo offre numerose soluzioni progettate appositamente per ridurre i consumi energetici, pur mantenendo una potenza di calcolo sufficiente per gestire operazioni complesse. Tra queste, il microcontrollore ARM Cortex-M, presente in schede come STM32, è ampiamente riconosciuto per le sue capacità di basso consumo. Grazie a modalità di basso consumo avanzate ed a tecniche di power gating, le schede STM32 sono in grado di operare per lunghi periodi con alimentazione a batteria, rendendole ideali per applicazioni IoT e indossabili. I microcontrollori basati su Cortex-M0/M0+ sono progettati per applicazioni a bassissimo consumo energetico, e vengono spesso impiegati in dispositivi a batteria. I chip basati su Cortex-M0/M0+ consumano pochissima energia e possono entrare rapidamente in modalità sleep.
Un'altra piattaforma di sviluppo molto popolare è la Nordic nRF52, basata su un processore ARM Cortex-M4. La scheda è progettata specificamente per applicazioni wireless a basso consumo energetico, come Bluetooth Low Energy (BLE) e Zigbee. Le sue caratteristiche di gestione energetica includono l'ottimizzazione del consumo durante la trasmissione e la ricezione di dati, e una gestione intelligente della potenza che permette di passare rapidamente da modalità attiva a modalità sleep. I SoC (System-on-Chip) nRF52 sono ideali per dispositivi wearable, beacon e sensori wireless. In Figura 1 è rappresentato l'nRF52840, uno dei più recenti della serie, che supporta BLE, Zigbee e altre tecnologie wireless, mantenendo comunque bassi livelli di consumo energetico.
Figura 1: Modulo scheda di sviluppo nRF52840, per Chip Nordic Semiconductor con 5.0, Flash da 1 MB, gestione intelligente dell'alimentazione (Fonte: Amazon)
La scheda di sviluppo Arduino Nano 33 BLE è basata su un chip Nordic nRF52840 e supporta BLE; è progettata per essere efficiente dal punto di vista energetico e viene spesso impiegata in progetti IoT e wearable. La piattaforma ESP32, pur essendo più conosciuta per le sue capacità di connessione Wi-Fi, è dotata anche di notevoli caratteristiche di risparmio energetico. Grazie a modalità di deep sleep che permettono di ridurre il consumo fino a pochi microampere, l'ESP32 è ideale per dispositivi che devono funzionare per lunghi periodi con batterie limitate. Inoltre, la presenza di una CPU dual-core permette di eseguire operazioni intensive su un core mentre l'altro rimane in modalità di risparmio energetico, garantendo un equilibrio tra prestazioni e consumo.
Figura 2: Espressif ESP32 WLAN Dev Kit Board Development Bluetooth Wi-Fi WROOM32 NodeMCU (Fonte: Amazon)
L'MSP430 di Texas Instruments è noto per il suo bassissimo consumo energetico, con modalità di basso consumo estremamente efficienti - fino a pochi nanoampere - e viene ampiamente utilizzato in applicazioni IoT, sensori e dispositivi alimentati a batteria. Non possiamo trascurare inoltre l'ATmega328P, utilizzato su schede come Arduino UNO, e le serie ATtiny, entrambi molto apprezzati per progetti a bassa potenza in applicazioni embedded. Alcune soluzioni particolarmente innovative, come il Raspberry Pi Pico, sono progettate per massimizzare l'efficienza energetica in scenari a basso consumo, grazie al microcontrollore ARM Cortex-M0+ che consente di operare in modalità ultra-low power per lungo tempo. Ciò rende il Raspberry Pi Pico particolarmente adatto per progetti in cui la durata della batteria è una priorità assoluta. Nel variegato mondo del mercato elettronico c'è spazio anche per chip pensati per sensori a basso consumo: un esempio è rappresentato da Bosch Sensortec BME280, un sensore ampiamente utilizzato per il monitoraggio di parametri ambientali - temperatura, pressione e umidità - in dispositivi a batteria, grazie al suo consumo estremamente basso.
Considerazioni conclusive
L'efficienza energetica nei dispositivi embedded rappresenta oggigiorno una sfida tecnica per l'industria tecnologica moderna. L'aumento della domanda di dispositivi portatili e connessi, come IoT e indossabili, richiede lo sviluppo di soluzioni innovative per ridurre al minimo il consumo energetico, senza compromettere le prestazioni. Le tecniche di ottimizzazione, le modalità sleep e l'ottimizzazione del codice software, sono strumenti fondamentali per migliorare l'efficienza energetica dei dispositivi embedded. Sul fronte hardware, le piattaforme di sviluppo moderne offrono una gamma completa di soluzioni con capacità di risparmio energetico sempre più avanzate, come dimostrano le piattaforme STM32, nRF52, ESP32, Arduino e Raspberry Pi Pico. Completano il quadro, chip e moduli dotati di capacità di comunicazione a lunga distanza e bassissimo consumo, utilizzati in molte applicazioni IoT che richiedono connettività LoRa (Long Range) con risparmio energetico, come i dispositivi LoRaWAN. Tutte queste realtà arricchiscono il panorama dei prodotti elettronici oggi disponibili e consentono lo sviluppo di applicazioni embedded capaci di operare per periodi prolungati e alimentate da fonti energetiche limitate, aprendo la strada ad una nuova generazione di dispositivi sempre più sostenibili ed efficienti. La scelta del chip o della scheda dipende dalla specifica applicazione, dalle esigenze di potenza di calcolo, dalle interfacce di comunicazione richieste e dalla durata della batteria necessaria per il vostro caso.
