Ефективното използване на енергията придобива все по-голямо значение с напредъка на революцията в компютърните системи. С експлозията на изчислителни устройства през последните 20 години и обществените ползи от тях във всички сфери: бизнес, образование, научни изследвания, здравеопазване и др., съответно нарастваше използването на електроенергия и въздействието върху околната среда. Еволюцията към облачни изчислителни среди, свързаността „винаги включен“ и потапящите изживявания, включително виртуална и добавена реалност, повишават изискванията за ефективна изчислителна производителност. Съществуват предвиждания, че към 2020 г. информационните и комуникационните технологии, включително компютри и мобилни телефони, ще консумират 14% от електрическата енергия в света.
Резултатът от всички тези фактори е силен пазарен тласък за технологии, които подобряват процесорната производителност, като същевременно намаляват потреблението на енергия. Енергийната ефективност се описва като комбинация от подобряване на производителността и запазване или намаляване на консумацията на енергия.
КАКВО СЛЕДВА
В исторически план, подобренията в енергийната ефективност до голяма степен са били реализирани като съпътстващ продукт на Закона на Мур – удвояване на броя на транзисторите в един чип на всеки две години чрез все по-малките електрически вериги в него. Общо взето, повечето транзистори в един компютърен чип и по-малкото физическо разстояние между тях води до по-висока производителност и енергийна ефективност.
Свързаните с потреблението на енергия ползи от Закона на Мур, обаче, забавят своето темпо, и съдържат потенциална заплаха за бъдещия напредък на технологиите. Достигнато е ниво, при което миниатюризацията на транзисторите се сблъсква с физическите ограничения. С намаляването на техния размер, токът на утечка се превръща във все по-голямо инженерно предизвикателство. Това отчасти води до въпроса дали Законът на Мур ще продължи да бъде в сила със своето традиционно темпо.
Исторически погледнато, а също и според Международната агенция за енергийна ефективност, с намаляването на транзисторите ефективното използване на енергията се подобряваше заедно със скоростта на процесорите. Сега това постоянно повишаване на ефективността се е забавило. Следователно, става все по-ясно, че инженерите проектиращи полупроводници ще трябва да разработят креативни мерки за да допълнят забавените ползи от енергийна ефективност.
В AMD, ние си поставихме значителна цел да подобрим енергийната ефективност в нашите продукти – да подобрим енергийната ефективност на нашите мобилни процесори 25 пъти между 2014 и 2020 г. Това е нашата инициатива 25×20. Степента доколко добре ние и останалите в индустрията реагираме на забавянето на ползите от ефективността може да има дълбоки последици за глобалната икономика и околната среда, тъй като обществото разчита и за в бъдеще на дигиталните технологии.
Но ако историческият метод, т.е. технологиите на производство за по-голяма плътност на транзисторите, няма същото въздействие както преди, какво може да направи индустрията, за да има и в бъдеще подобрения на енергийната ефективност? На процесорно ниво, отговорите засега са: нови процесорни архитектури, енерго-ефективни технологии и техники за управление на консумацията на енергия.
От десетилетия централният процесор (CPU) на компютъра се проектира да обработва общи програмни задачи. Тези процесори са отлични в последователната обработка на инструкциите в програмата – ако е изпълнено условие А, тогава направи B, после C, и т.н., стъпка след стъпка, като използват все по-сложни техники и алгоритми, за да подобрят скоростта си. За разлика от тях, графичните процесори (GPU) са специализирани ускорители, проектирани първоначално, за да изобразяват милиони пиксели едновременно на екрана. Графичните процесори извършват това, провеждайки паралелни изчисления, използвайки сравнително проста архитектура. CPU и GPU традиционно работят като отделни процесори, на отделни чипове или интегрирани платки в един РС, игрална конзола, таблет, смартфон, и в последно време – в някои сървъри и суперкомпютри.
Днес CPU и GPU все повече се обединяват в една обща единица, известна в индустрията като ускорен процесор (Accelerated Processing Unit – APU).
Това е значителна стъпка в правилната посока, но остава много работа за събирането на двата типа процесори в едно хармонично, хетерогенно цяло, с подобрена производителност и минимизирана консумация на енергия. Този стремеж доведе до нов, разрастващ се стандарт в индустрията, известен като Хетерогенна системна архитектура (heterogeneous systems architecture – HSA).
Нетният ефект от HSA е да позволи на CPU и GPU да работят равностойно в APU, с драматично намаление на сложността и излишъка от ресурси. Много от изпълняваните задачи като естествения интерфейс и разпознаването на модели се възползват от паралелното изпълнение в GPU и се извършват многократно по-ефективно, когато GPU и CPUси сътрудничат помежду си. Тези способности са важни за много приложения, включително разпознаване на глас, защита на данните, медицински системи за изобразяване, изследването на генома, автономното шофиране, както и суперкомпютърни приложения с фокус върху научните изследвания. В допълнение към подпомагането на работата с приложенията от следващо поколение, практичното сливане на двата типа процесори може да доведе до драматично подобрение на производителността и енергийната ефективност. Новите процесорни чипове използващи HSA едва сега излизат на пазара, очаквайки нови приложения и оползотворяване на техните възможности.
Променящите се работни товари за компютрите също влияят върху потреблението на енергия от процесорите. Повечето компютри работят с пиково натоварване само малка част от времето, много по-често натоварването е самоедин процент.
Съответно, по-голямата част от работата на изчислителните устройства сега типично се характеризира с време за бездействие – периодите между натискането на клавишите или между кадрите на едно видео, или след зареждането на дадена уеб-страница. Енергийно-ефективните технологии, оптимизирани да намалят използването на енергията при бездействие и оптимизирани за сценарии „типична употреба“ осигуряват допълнително пестене на енергия.
Например, когато се пускат задачи, които искат много изчислителни ресурси, например рендиране на видео, процесорите се нуждаят от повече ток, а при завършване на задачата тази нужда отпада. Внезапните промени причиняват значителни флуктуации в захранването на чипа. Микропроцесорните инженери в типичния случай доставят захранване с излишък към процесорите, за да гарантират, че чипа разполага с достатъчно ток за посрещане на върхови изисквания. Но тази практика струва скъпо по отношение на енергията. Бързото настройване на напрежението за посрещане на променящите се нужди на приложенията представлява една възможност за пестене на излишно подаваната енергия. Най-новите процесори на AMD включват тези възможности за адаптиране на напрежението както в CPU, така и в GPU, с което помагат да се съкрати използването на енергия от 10 до 20 %.
Освен нововъведенията в архитектурата и енерго-ефективният силиций, различни техники за управление на консумацията могат допълнително да спестят енергия. Един пример за това е много финото следене и управление на енергията, температурата и дейностите в целия APU. Това позволява на процесора динамично да използва енергия според нуждите на приложението. С повишаването на производителността задачите се изпълняват по-бързо, следователно повече време остава за режим „бездействие“ – един “благоприятен цикъл” от редуващи се висока производителност със състояние на слабо използване на енергия, което подобрява ефективността.
Новите подходи в интеграцията осигуряват значителна миниатюризация и намаляване на консумираната енергия. AMDпърва в индустрията обяви планове за инсталиране на Памет с висока пропускателна способност (High Bandwidth Memory – HBM) в графичните решения, с което се цели значително пестене на енергия. HBM графичната памет е 3Dвертикален стек свързан към графичния процесор със силициев носител (2.5D пакетиране). Получената връзка от силиций към силиций консумира 3 пъти по-малко енергия от DDR5 паметта.[1]
В резюме, никой не може да каже точно кога и дали ще спре действието на Закона на Мур; няма съмнение, обаче, че свързаната с него енергийна ефективност значително е забавила темпото си. В същото време консумацията на енергия от нарастващото използване на изчислителни устройства се повишава. Това изисква интелигентен инженеринг за преодоляване на физическите ограничения на все по-малките транзистори, за да продължи развитието на удивителните подобрения, които изчислителните устройства носят във всички области на живота. В бъдеще огромната част от енергийната ефективност ще идва от архитектурата, новия дизайн на вътрешните връзки в чиповете и техниките за управление на консумацията на енергия.
[1] Тестове, проведени от AMD инженери с AMD Radeon™ R9 290X GPU спрямо карта базирана на HBM-памет. Получените резултати от изолирано пряко измерване на енергията подавана към GDDR5 и HBM са при пълно използване на паметта. Енергийната ефективност е изчислена като GB/s пропускателна способност на ват консумирана енергия – заAMD Radeon™ R9 290X (10.66 GB/s пропускателна способност на ват), а за HBM-базираната карта (35+ GB/sпропускателна способност на ват), AMD FX-8350, Gigabyte GA-990FX-UD5, 8GB DDR3-1866, Windows 8.1 x64 Professional, AMD Catalyst™ 15.20 Beta. HBM-1
