Urýchlenie energetickej účinnosti rýchlejšie, ako hovorí Mooreov zákon - Go4IT
Energetická účinnosť je z dôvodu vývoja výpočtového výkonu čoraz dôležitejšia. S vývojom technológií za posledných 20 rokov as výhodami, ktoré prináša vo všetkých oblastiach, sa environmentálna stopa zvýšila vďaka spotrebovanej energii. Vývoj technológie smerom k cloud computingu, pripojenie „vždy zapnuté“ a podmanivé zážitky, ako je napríklad virtuálna realita, si vyžadujú zvýšený výkon spracovania. Podľa štatistík budú počítače a mobilné telefóny do roku 2020 spotrebovať 14% energie vyrobenej na produkcii Tera.
Výsledok všetkých týchto faktorov sa odráža v silnom príťažlivosti trhu pre technológie, ktoré zlepšujú výkon procesora a zároveň znižujú spotrebu energie. Energetická účinnosť sa označuje ako rovnováha medzi zlepšením výkonu a znížením alebo udržaním spotreby energie.
Vpád do budúcnosti
Historicky sa zlepšenie energetickej účinnosti stalo do veľkej miery vedľajším produktom Moorovho zákona, ktorý ustanovuje zdvojnásobenie počtu tranzistorov, ktoré je možné na čipu vyrobiť každé dva roky. Všeobecne platí, že návrh niekoľkých tranzistorov na jednom čipe, ktorý zmenšuje ich fyzické rozmery, vedie k lepšiemu výkonu a vyššej/vyššej energetickej účinnosti.
Výhody spotreby energie vyplývajúce z Moorovho zákona sa však zmenšujú a pravdepodobne ovplyvnia budúce objavy. Dosiahli sme úroveň, kedy miniaturizácia tranzistorov dosiahla hranice fyziky. Za týchto podmienok sa zvyškový prúd stáva pre inžinierov čoraz väčšou výzvou a v dôsledku toho si väčšina návrhárov obvodov začala klásť otázku, či bude Moorov zákon pokračovať v tradičnom tempe.
Podľa IEEA (Medzinárodná agentúra pre energetickú účinnosť) hovoríme o neustálom zvyšovaní procesného výkonu a energetickej účinnosti so zdvojnásobením počtu tranzistorov. V poslednej dobe sa tento rast viditeľne spomalil, a preto budú musieť návrhári polovodičov tento pokles efektívnosti doplniť kreatívnymi opatreniami.
Zaviazali sme sa, že do roku 2020 znížime spotrebu energie našich výrobkov 25-krát. Táto iniciatíva sa nazýva aj 25 × 20 a úplne zmení dopady technológie na ekonomiku a životné prostredie.
Aby sme zabránili uvedeným negatívnym účinkom zdvojnásobenia počtu tranzistorov zahrnutých v procesore, dokázali sme vyvinúť nové architektúry a integrovať technológie energetickej efektívnosti.
Po celé desaťročia bola centrálna procesorová jednotka (CPU) počítača navrhnutá na vykonávanie všeobecných programovacích úloh. Tieto procesory vynikajú v spúšťaní pokynov na sériový výpočet - ak je podmienka A platná, vykoná sa B, potom C atď. - a na zvýšenie rýchlosti používajú rôzne zložité techniky a algoritmy. Naproti tomu jednotky grafického spracovania (GPU) sú špecializované akcelerátory, ktoré boli pôvodne navrhnuté na súčasné prehrávanie miliónov pixelov na obrazovke. GPU to robí vykonávaním paralelných výpočtov pomocou relatívne jednoduchej architektúry. Procesory a grafické karty sú teda tradične integrované osobitne do počítačov PC, herných konzol, tabletov, inteligentných telefónov a najnovšie aj do niektorých serverov a superpočítačov.
V súčasnosti sú CPU a GPU čoraz viac integrované do jedného celku, ktorý je v priemysle známy ako APU (accelerated processing unit).
Aj keď bol podniknutý dôležitý krok správnym smerom, je ešte potrebné preskúmať veľa možností, aby bolo možné kombinovať dva harmonické a heterogénne typy procesorov, čo môže zlepšiť výkon a minimalizovať spotrebu energie. To viedlo k vývoju priemyselného štandardu známeho ako Heterogeneous Systems Architecture (HSA).
Účelom HSA je umožniť hladké fungovanie dvojice CPU-GPU v rámci APU. Mnoho úloh, napríklad rozpoznávanie vzorov, sa vykonáva oveľa efektívnejšie, keď sú GPU a CPU spustené paralelne. Táto schopnosť je dôležitá pre mnoho aplikácií, ako je rozpoznávanie hlasu, bezpečnosť dát, lekárske zobrazovanie, sekvenčné dešifrovanie genómu DNA, ale aj pre aplikácie zamerané na primárny vedecký výskum a vykonávané pomocou superpočítačov. Táto praktická fúzia dvoch typov procesorov môže navyše viesť k dramatickému zlepšeniu výkonu a energetickej účinnosti.
Zmena pracovnej záťaže má tiež vplyv na spotrebu energie procesorov. Väčšina počítačov beží na plnú kapacitu iba zlomok času, najčastejšie 1% ich životnosti.
Väčšinu času preto činnosť procesora charakterizuje doba nečinnosti - obdobie medzi vykonaním dvoch príkazov alebo hraním dvoch snímok videa. Nové technológie energetickej účinnosti optimalizujú spotrebu počas odstávky a umožňujú vyššiu účinnosť.
Napríklad, keď existujú širšie výpočtové požiadavky, ako je napríklad prehrávanie videa, procesory vyžadujú vyšší objem energie, ktorá sa potom po dokončení úlohy zníži. Náhle zmeny spôsobujú výrazné výkyvy v napájaní čipu. Architekti mikroprocesorov zvyčajne poskytujú nadmerný výkon, aby zabezpečili, že procesor pracuje pri normálnych parametroch. Ale tento postup je nákladný z hľadiska energie. Rýchle prispôsobenie napätia tak, aby vyhovovalo všetkým potrebám aplikácie, je príležitosťou na elimináciu straty energie. Najnovšie procesory zahŕňajú technológie, ktoré znižujú spotrebu energie o 10 - 20%.
Okrem použitej architektúry a energeticky efektívneho kremíka môžu techniky riadenia energie ďalej viesť k zvýšeniu energetickej účinnosti. Príkladom je veľmi jemné monitorovanie a správa výkonu, teploty a aktivity APU. To umožňuje procesoru dynamicky prideľovať výkon podľa výpočtových potrieb a vedie tak k zvýšeniu výkonu.
Stručne povedané, nikto nemôže presne povedať, kedy a či sa Moorov zákon skončí; Niet však pochýb o tom, že výkon používaný prístrojmi sa podstatne zvýšil. Zároveň sa zvyšuje spotreba energie, ktorú znášajú používatelia, a zvyšuje sa počet zariadení na trhu. Tento problém si vyžaduje inteligentný prístup k prekonaniu fyzických limitov zmenšujúcich sa tranzistorov, aby sa ešte viac zvýšil výpočtový výkon. V budúcnosti bude väčšina ziskov v energetickej efektívnosti vyplývať z architektúry, obvodov a techník riadenia spotreby.