JP2007514260A - 電力節約方法及びシステム - Google Patents

Abstract

本発明は、電子大容量記憶装置の消費電力の低減に関し、より詳細には携帯用インフォテインメント製品における消費電力の低減に関する。これらの装置は、大容量記憶装置（４８）及びバッファメモリ（４３、４４）を有するサブシステムを備えている。バッファメモリ（４３、４４）のサイズは最適に低消費電力が成し遂げられるように適応される。これはバッファメモリチップを有するメモリバンク（４５）を作動させたり停止させたりすることにより成し遂げられる。作動させるメモリバンク（４５）の量はサブシステムの動作特性により決定され、たとえば大容量記憶装置（４８）への／大容量記憶装置（４８）からの伝送で所望のビットレートが成し遂げられる。

Description

本発明は一般に電力システムにおける消費電力を低減することによりエネルギーを節約する分野に関し、より詳細には電子大容量記憶装置の消費電力を低減、さらに詳細には携帯用インフォテインメント（infotainment）製品における消費電力の低減に関する。

携帯用記憶機器は、一般にハードディスクドライブ（ＨＤＤ)又は光学ビットエンジンのような大容量記憶装置を有する。これらのＨＤＤ又は光学ビットエンジンによる消費電力は、そのような携帯用装置による全体の消費電力の主な部分となっている。インフォテインメント装置のような携帯用装置は、バッテリのような限定された電源において動作するので、バッテリが交換される、または、再充電されるまでの満充電での稼働時間ができる限り長いことが所望される。これは前記装置ができる限りエネルギーを消費すべきでない理由のひとつである。

そのような記憶装置を使用する際にエネルギーを節約する一つの主要な解決策は、データの読み書きがないときに装置のスイッチをオフにすることである。しかしながら、この場合記憶装置が休止状態から再び起動したとき、データアクセスはとても遅くなる。またその代案としては、いくつかのレベルの消費電力モードを有する記憶装置が、国際出願公開ＷＯ０１／１５１６１で公開されている。装置への／装置からの最後の読み込みまたは書き込みアクセスから時間が進むと前記装置は連続的に低消費電力モードに移行する。しかしながら、前記装置では実質的に低電力の状態、すなわち部分的なシャットダウンまたは記憶装置のシャットダウン、から全出力の状態に戻るアクセス時間が長いという欠点がある。

上記の方法に加えて、携帯用ＭＰ３又はＤＶＤプレーヤーのような携帯用インフォテインメント装置であるオーディオ、ビデオ、又はオーディオビジュアルストリーミングアプリケーションにおいて、総消費電力はバッファメモリとバッファスキームを用いることにより著しく低減しうる。これらのスキームは、高い伝送ビットレートで集中的にデータを読み書きし、続いてできる限り長くドライブの電源を切る、またはドライブをスタンバイモードにするとより効果的であるという事実を活かしている。ドライブの電源を切る、またはスタンバイモードにしている間に、データはバッファから又はバッファへ読み書きされる。このようなバッファリングされたデータの転送の例は、米国特許Ｂ−６，４９６，９１５に示されている。

このためソリッドステートＲＡＭは、次の処理の準備ができるまでオーディオビジュアルデータをバッファリングするために使われ、再生する場合にはデコーダにより消費され、録画する場合には記憶媒体に記録される。この手順は、例えば典型的なものとしてＨＤＤ、ＣＤ、ＤＶＤ、Ｂｌｕ−Ｒａｙディスク又はＳＦＦＯ(スモールフォームファクターオプティカル)ディスクのような使用される記憶媒体には依存しない。しかしながら簡素化のため、以下の記述ではＨＤＤのみを扱う。サブシステムの総消費電力は、ＨＤＤとバッファリングソリッドステートＲＡＭとにより消費される両方の電力の和で決定される。とくにＤＲＡＭの場合では、ＲＡＭで消費される電力は、一見したところディスクドライブの消費電力と比較して小さいが無視できない。バッファの消費電力は、およそバッファサイズに比例している。その上バッファのサイズが大きくなればなるほどディスクドライブの消費する電力は小さくなる。しかしながら同時にバッファメモリの消費する電力は、サイズに伴って増加する。特願ＪＰ２０００−２９８９３５では、高い頻度での使用に対する小容量の部分と低い頻度での使用に対する大容量の部分とを有するハードウェアバッファ解決策でバッファの消費電力の低減が示されている。しかしながら、この解決策は柔軟ではなく、記憶装置へ／記憶装置からの異なるビットレートが二つのバッファ部分の異なる比率を要求するからである。その上、物理的なチップ及び内部のバンクの数がそのようなデザインでは前記消費電力を決めてしまい、当該消費電力は、固定され、特願ＪＰ２０００−２９８９３５で開示された設計により、さらなる低減ができない。

したがって、発明の目的は、異なる動作環境下でもサブシステムの性能に影響を与えることなく、大容量記憶装置とバッファメモリとを有するサブシステムの総消費電力を適切に最小化することである。

本発明は上記の確認された技術上の瑕疵を克服するものであり、少なくとも上記で確認されている問題を別途請求項の記載にしたがって大容量記憶装置とバッファメモリとを有するサブシステムの総消費電力を適切に最小化する方法、機器及びコンピュータ可読媒体を与えることにより解決する。

本発明にしたがった一般的な解決策は、大容量記憶装置とバッファメモリとを有するサブシステムの操作要素に関するバッファメモリの特性を、所与のサブシステム操作要素のセットに対してサブシステムが適切に低消費電力になるようにして、サブシステム全体の消費電力を最小にするように、適切に修正することである。

より詳細には、理想的なバッファサイズが決定され、バッファのある領域はシャットダウンされ、適切に低消費電力がサブシステムの事前に決定された性能に対して成し遂げられる。

本発明の態様により、大容量記憶装置とバッファメモリとを有する機器の総消費電力を適切に最小化するための方法、機器及びコンピュータ可読媒体が開示される。

本発明は現行の要件に関してバッファサイズを適切にし、よって広い性能範囲の所与の性能及び最小のエネルギーでサブシステムを最適化して利用するという利点を先行技術に対して有する。

本発明の目的、特徴及び利点が、図を参照にして以下の本発明の実施例の説明から明らかになるだろう。

本発明の一つの態様の実施例によると、以下の三つの要素の特徴は、図３に示された方法３のステップにおいて、図２に示されたＨＤＤのような大容量記憶装置２１及びＳＤＲＡＭバッファメモリ２２を有するサブシステム２の消費電力を最小にするために適切に決定、変更される。
・ＨＤＤ２１又は光学ビットエンジン
・ＳＤＲＡＭスケジューリングバッファ２２
・オーディオ／ビデオストリーム２４のビットレート。

ＨＤＤからバッファ２２へ／バッファ２２からＨＤＤへのデータストリーム２３は一般に固定されたレートで実行され、このレートは所与のＨＤＤの位置に対して固定される。実際の速度は、データがディスクから読まれる角速度が一定であるので、一般にディスクにおける位置に対して変化する。実際の値は、それぞれの場合に決定されるか、あるいは平均が所与のストリームに対して用いられる。その上角速度一定（ＣＡＶ）光学ドライブのデータレートもまた位置に依存する。一方線形速度一定（ＣＬＶ）光学ドライブは、固定されたデータレートを持ち、ディスクの位置には依存せず、この場合固定されたデータレートが推定されうる。その上データは上記のように急激に読まれる。発明者らによりなされた計算及び検証実験は、ＨＤＤの消費電力がストリームのビットレートとスケジューラバッファサイズの関数としてのＨＤＤの最大スループットとの割算により決定された最小値まで漸近的に低減することを示した。その上最大ＨＤＤスループットは、ディスクの位置に依存し、言い換えるとスループットの異なる領域が存在する。外の領域は中の領域よりもビットの密度が高い。すなわち、ＣＡＶシステムでは、ビットが高密度であればスループットが大きくなる。一方ＳＤＲＡＭの消費電力は、一般にＳＤＲＡＭのサイズに比例して大きくなる。文献から知られているように、ＳＤＲＡＭの電力はＳＤＲＡＭのサイズに比例して大きくなる。現行のＳＤＲＡＭチップの計算もまたこれを実証している。ＳＤＲＡＭの電力はバッファサイズではなくＳＤＲＡＭのサイズで増加することに留意されたい。バッファサイズは、ＳＤＲＡＭのサイズよりも小さくてもよい。典型的なドライブに対するＳＤＲＡＭとＨＤＤとの両方の消費電力が図１に示されたダイアグラムに描かれている。ここでは４メガビット／秒のビデオストリームに対して典型的なＳＤＲＡＭのサイズが示されている。

図１から理解されるように、消費電力全体は、あるスケジューラバッファサイズにおける上記三要素の特定の組み合わせに対して最適となる。

その上、ＨＤＤとＳＤＲＡＭとの消費電力の特徴は、ＨＤＤが摩滅したり裂けたりする場合を除いて時間に対して変化しないとする。ほとんど変化しない性能は、定数を推定する代わりに実際のデータスループットを測定することにより容易に追跡できる。

たとえば１２８キロビット／秒で音楽を再生するような低ビットレートアプリケーションの理想的なバッファサイズは、たとえば２７メガビット／秒で録画するカムコーダのような高ビットレートアプリケーションのバッファサイズとは異なる。サブシステムのバッファメモリの最適バッファサイズは、サブシステムを利用する異なるアプリケーションに関連して時間が経つにつれて変化するだろう。

多重同時ストリームの場合、すべてのストリームのビットレートの和が考慮される。

これゆえにサブシステムのバッファメモリは高ビットレートに対して全体としてサブシステムの低消費電力を提供するために十分に大きくなければならない。しかしながら、これは低ビットレートアプリケーションに対して望ましくない過度の消費電力をもたらす。

図３で示している上記の方法はステップ３０で、たとえばＨＤＤスケジューラが新しいストリームを開始するときに始まり、ステップ３１でＨＤＤデータレートが決められる。ステップ３２では、バッファメモリへの及び／又はバッファメモリからのストリームビットレートが決定され、一般にこのストリームビットレートはストリームの平均ビットレートだが、ビットレートエンコーディングに対してある範囲で変化してもよい。続いて、最適バッファサイズ、すなわち前記サブシステムの上述の最小消費電力でのバッファサイズは、ステップ３３で決定される。これは、例えば積極的にバッファサイズを変化させて、消費電力を測定、フィードバックし、最適バッファサイズを計算式から計算する、または参照テーブルを用いることによりなされるかもしれない。サブシステムの最小消費電力を保証する最適バッファサイズが決定されるとき、この最適バッファサイズはステップ３４において調整される。続いて、サブシステムが、所与のストリーミングビットレートに対してできる限り最小のエネルギー消費で稼動する。可変ビットレートストリームでは、平均ビットレートはある範囲内で変化するということが注意すべきところである。

本発明の別の態様からの実施例では、携帯用装置がある。携帯用装置は多くの内部メモリバンクを持つ少なくとも一つのＳＤＲＡＭＩＣを有する。携帯用ＳＤＲＡＭは、これらのメモリバンクのいくつかのスイッチを選択的にオフにする特徴をしばしば持つ。これは時には、部分配列自己再表示（ＰＡＳＲ）と呼ばれる。

ＨＤＤ及びＳＤＲＡＭバッファにアクセスする役割を果たしているディスクスケジューラは、最適なメモリ構成を動的に決定するためにＨＤＤ及びＳＤＲＡＭ上の情報を利用する。より詳細にはこの振る舞いは、新しいストリームがストリーミングに許可されるたびごとになされている。ＨＤＤとＳＤＲＡＭとの特性は、アプリケーションに格納される。たとえばＨＤＤの場合、もし時間についての変化が見込まれたら、これらの特性は、例としてＨＤＤの測定に基づいた特別なコマンドを介して、ドライブそれ自体から検索される。

図４にはより詳細な現行の実施例が説明されている。例示的なサブシステム４は、データ伝送矢印４９に示されるようにＨＤＤ４８からまたはＨＤＤ４８へデータの読み書きをするアプリケーション装置４１を有する。データはＨＤＤから／ＨＤＤへ直接伝送されず、低電力ＨＤＤスケジューラ４２により伝送される。スケジューラ４２が、ＳＤＲＡＭのようなバッファメモリチップ４３、４４からの／バッファメモリチップ４３、４４へのデータフロー５０、５１、ＨＤＤへの／ＨＤＤからのデータフロー５２及びアプリケーション４１への／アプリケーション４１からのデータフロー４９を制御する。ＨＤＤへの／ＨＤＤからのデータフロー５２のストリーミングレートは、ハードウェアにより固定されて、決定され、支配的な要素は実際の媒体へのアクセススピードであり、同様に一分あたりの回転及び／又は媒体の特性により決定される。たいていＨＤＤへのバス接続は、実際の記憶媒体よりも速い。ＰＣにおけるハードウェアインタフェイスは、たいていＨＤＤよりも速い。しかしながら民生アプリケーションでは、これはあてはまらないこともありうる。その上スケジューラ４２は、どのメモリバンク４５Ｂ１、...、Ｂ４がアクティブになるかを制御する。これはスケジューラ４２に接続された制御ライン４７を有するスイッチ４６によりなされ、すなわちスケジューラ４２は、これらのメモリバンクのスイッチをオン又はオフにすることにより、メモリバンクの構成を決定する。もしバンクが内部にあれば、スイッチングはＳＤＲＡＭにおけるレジスタをセットすることで起こりうる。これゆえサブシステム４を設計するときに知られていなかった要素は、ストリーム４９、５０及び５１のビットレートだけであり、全体のビットレートはアプリケーションタイプ又は同時にあるストリームの数に依存する。アプリケーション４１がスケジューラ４２に新しいストリームを始める要求を出すたびに、ストリーム又は複数のストリームの特定の構成に対して、最適なバッファサイズを再計算する。続いて、スケジューラ４２は最適なメモリバンク構成を起動する。これは図１を参照した上記の理由よりＨＤＤ４８、ＳＤＲＡＭ４３、４４及びストリームのビットレートの所与の特性に対する最小消費電力を保証して、内部メモリバンク４５の数が作動することを意味する。

こうして、バッファサイズがバンク／チップの数で決定され、実際の計算値は、実施する際の理由でバンクの整数倍に丸められるだろう。

多重同時ストリームの動的な構成では、二つの異なる状況に分けられる。第一に新しいストリームがスケジューラにより許可されるときであり、第二にストリームがスケジューラにより止められたり取り除かれたりするときである。第一の場合は、外部のメモリバンクを起動することによって成し遂げられる。第二の場合は、バッファリングされたデータを依然として保有しているメモリバンクのスイッチはオフにされてはならず、そうでなければデータは失われると考えられるべきである。それゆえそのようなメモリバンクの電源オフは、例えば遅れるか又は当該メモリバンクのバッファデータが、電源オンのままである別のメモリバンクへ移動し、その後最初のメモリバンクが電源オフされる。

スケジューラ４２又はスケジューラ４２及びアプリケーション４１の両方は、専用の回路１ＡＳＩＣ又は一つ以上のプログラムされたマイクロプロセッサ、したがって本発明による方法のこの実施例を実行するプロセスユニット６０を提供して実施できる。

本発明のさらなる実施例は、コンピュータ可読媒体５を示した図５に説明されている。コンピュータ可読媒体５は、データを格納できるデータ記憶装置であり、このデータはその後コンピュータシステムにより読まれる。コンピュータ可読媒体の例としてハードドライブ、ネットワーク付属記憶（ＮＡＳ）、読込専用メモリ、ランダムアクセスメモリ、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−ＲＷ、磁気テープ及び他の光学及び非光学データ記憶装置が含まれる。コンピュータ可読媒体は、ネットワークに接続されたコンピュータシステムに配布され、コンピュータ可読コードが配布用の形式で格納され実行される。

コンピュータ可読媒体５は、コンピュータ５５で処理されるコンピュータプログラムで実施している。コンピュータプログラムは、大容量記憶装置とバッファメモリとを有するサブシステムの総消費電力を適切に最小化する複数のコードセグメント５６、５７、５８、５９を有する。コードセグメントにより、前記バッファメモリから所与のストリーミングビットレートに対して、前記サブシステムの消費電力が最小になるための最適なバッファサイズが計算される。その上、コードセグメントにより、前記のバッファメモリのバッファサイズは、前記の最適バッファサイズに調整され、その結果前記サブシステムの消費電力は最小になる。より正確にはＨＤＤスケジューラが、例えば新しいストリームを開始するとき、コードセグメント５６がＨＤＤデータレートを決定する。そして、更にコードセグメント５７は、バッファメモリへの／バッファメモリからのストリームビットレートを決定する。続いて最適なバッファサイズ、たとえば上記で説明されたサブシステムの消費電力を最小にするバッファサイズが、コードセグメント５８により決定される。サブシステムの最小消費電力を保証する最適バッファサイズがコードセグメント５８により決定されるとき、この最適バッファサイズはコードセグメント５９により調整される。続いて、サブシステムは、所与のストリーミングビットレートに対して、できる限り最小のエネルギー消費で動作する。

本発明によるアプリケーション及び上記の方法、装置及びコンピュータ可読メディアを利用することは、多方面にわたり、代表的な分野たとえば携帯用装置の分野、例としてデジタルカムコーダ、パーソナルデジタルアシスタント（ＰＤＡ）だけでなく、上記サブシステムを有する電力低減が重要な他のシステムも含んでいる。これはたとえば前記サブシステムを大量に有するコンピュータサーバ分野にも応用でき、消費電力に比例する、放散された熱を最小化するために望ましい。

本発明は上記の具体的な実施例により記述された。しかしながら、別記の請求項の範囲内で上記以外の実施例も同等に可能であり、例としては上記の大容量記憶装置ではなく、ハードウェアまたはソフトウェア等により上記の方法を実行することも可能である。

その上、この明細書で使われている「有する／有している」という言葉は他の要素又はステップを除外しているわけではなく、「ある」という言葉も複数形を排除せず、一つのプロセッサ又は他のユニットは請求項内で列挙された複数のユニット又は回路の機能を満たす。

サブシステムの全消費電力に対するバッファサイズの影響を説明したグラフである。 大容量記憶装置とバッファメモリとを有するサブシステムの概要を示す。 本発明の実施のフローチャートである。 本発明の実施にしたがった携帯用装置の概要である。 本発明の別の態様での実施例によるコンピュータ可読媒体５の概要である。

Claims (13)

1. 大容量記憶装置及びバッファメモリを有するサブシステムを有する機器の総消費電力を適切に最小化する方法であって、前記バッファメモリへの及び／又は前記バッファメモリからの所与のストリーミングビットレートに対して前記サブシステムの消費電力が最小になるための最適バッファサイズを決定するステップと、前記サブシステムの消費電力が最小になるように前記バッファメモリのバッファサイズを前記最適バッファサイズに調整するステップとを有する方法。
2. バッファサイズを調節する前記ステップは、前記バッファメモリのサイズを大きくするために、前記バッファメモリのメモリＩＣ及び／又はメモリバンクのスイッチをオンにするステップと、前記バッファメモリを小さくするために、メモリＩＣ及び／又はメモリバンクのスイッチをオフにするステップとを有する請求項１に記載の方法。
3. 最適なバッファサイズを決定する前記ステップは、ハードディスクドライブデータレートを決定するステップと、バッファメモリへの及び／又はバッファメモリからのストリームビットレートを決定するステップと、決定されたストリームビットレートにおいて消費電力が最小となる最適バッファサイズを決定するステップとを有する前記記憶装置がハードディスクドライブである請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記最適バッファサイズ決定ステップは、最適バッファサイズを計算式から計算するステップ、参照テーブルにおいて最適バッファサイズを調べるステップ、またはフィードバックループでのバッファサイズ制御において前記サブシステムの前記最小消費電力を測定するステップ、を有する請求項３に記載の方法。
5. バッファメモリの最適値が、ハードディスクドライブの消費電力の計算／見積もりをするためにハードディスクドライブの動作サイクルを与えるディスクビットレートとストリームビットレートとの比率により決定され、続いて最適バッファサイズが決定される請求項１乃至４の何れか一項に記載の方法。
6. 新たなストリームが許可された際に、メモリＩＣ及び／又は外部のメモリバンクを起動する、請求項１乃至５の何れか一項に記載の方法。
7. ストリームが停止されたり除去されたりしたときに、ＩＣ若しくはメモリバンクのパワーダウンが遅れる、またはＩＣ若しくはメモリバンクにバッファリングされたデータがパワーオンの状態である別のメモリバンクに移動されて、移動後すぐに最初のバンクがシャットダウンされる請求項１乃至５の何れか一項に記載の方法。
8. 多重同時ストリームの場合には全ストリームのビットレートの和が決定される請求項１乃至７の何れか一項に記載の方法。
9. 大容量記憶装置からプロセスユニットを有するバッファメモリを介してデータを取り出す回路であって、前記バッファメモリへの及び／又は前記バッファメモリからの所与のストリーミングレートに対して、前記記憶装置と前記バッファメモリとを有するサブシステムの総消費電力を最小にするように、前記バッファメモリの領域を適切に作動または停止し、前記大容量記憶装置からデータを取り出す回路。
10. 大容量記憶装置、バッファメモリ及び請求項９に記載の回路を有するサブシステムを有する機器。
11. 前記バッファメモリが独立してスイッチをオン／オフするように適応されたメモリのバンクを持つＳＤＲＡＭ回路を有する、請求項１０に記載の機器。
12. 前記プロセスユニットにより実行可能なスケジューラ機能部が前記記憶装置及び前記バッファメモリへのアクセスを制御する、請求項１０又は１１に記載の機器。
13. コンピュータにより処理されるコンピュータプログラムを担持するコンピュータ可読媒体であって、コンピュータプログラムは大容量記憶装置及びバッファメモリを有するサブシステムの総消費電力を適切に最小化するためのコードセグメントを有し、第一のコードセグメントは前記バッファメモリからの所与のストリーミングビットレートに対し前記サブシステムの消費電力が最小になる最適バッファサイズを決定し、第二のコードセグメントは前記サブシステムの消費電力が最小になるように前記バッファメモリのバッファサイズを前記最適バッファサイズに調整する、コンピュータ可読媒体。

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