Прискорення енергоефективності швидше, ніж говорить закон Мура - Go4IT
Енергоефективність стає все більш важливою внаслідок розвитку обчислювальних потужностей. З розвитком технологій за останні 20 років та з вигодами, які вони приносять у всіх сферах, екологічний слід збільшився за рахунок споживаної енергії. Еволюція технологій у напрямку хмарних обчислень, «постійно включених» зв’язків та захоплюючих вражень, таких як віртуальна реальність, вимагає підвищення продуктивності обробки. Згідно зі статистикою, комп'ютери та мобільні телефони будуть споживати 14% енергії, виробленої на Tera до 2020 року.
Результат усіх цих факторів відображається в сильному залученні на ринок технологій, що покращують продуктивність процесора, одночасно зменшуючи енергоспоживання. Енергоефективність описується як баланс між підвищенням продуктивності та зменшенням або підтримкою споживання енергії.
Напад у майбутнє
Історично поліпшення енергоефективності в основному стало побічним продуктом закону Мура, який передбачає подвоєння кількості транзисторів, які можна робити на мікросхемі кожні два роки. Загалом, проектування декількох транзисторів на одному мікросхемі, зменшення їх фізичних розмірів, призводить до кращих характеристик та вищої/вищої енергоефективності.
Однак енергетичні переваги закону Мура стають меншими і, ймовірно, вплинуть на майбутні відкриття. Ми досягли рівня, коли мініатюризація транзисторів досягла меж фізики. За цих умов залишковий струм стає дедалі більшим викликом для інженерів, і в результаті більшість конструкторів схем почали замислюватися, чи продовжить закон Мура традиційними темпами.
За даними IEEA (Міжнародного агентства з енергоефективності), мова йде про постійне збільшення обчислювальної потужності та енергоефективності при подвоєнні кількості транзисторів. Останнім часом це зростання помітно сповільнилося, і тому розробникам напівпровідників доведеться доповнити це зниження ефективності за допомогою творчих заходів.
Ми взяли на себе зобов'язання зменшити споживання енергії нашими продуктами в 25 разів до 2020 року. Ця ініціатива також називається 25 × 20 і повністю змінить наслідки технологій для економіки та навколишнього середовища.
Для протидії вищезазначеним негативним ефектам подвоєння кількості транзисторів, включених до процесора, ми змогли розробити нові архітектури та інтегрувати технології енергоефективності.
Протягом десятиліть центральний процесор (ЦП) комп'ютера був розроблений для запуску загальних завдань програмування. Ці процесори чудово справляються із запуском послідовних вказівок для обчислення - якщо умова A є допустимою, виконується B, то C тощо. - і використовувати різноманітні складні прийоми та алгоритми для підвищення швидкості. Навпаки, графічні процесори (GPU) - це спеціалізовані прискорювачі, які спочатку були розроблені для відтворення мільйонів пікселів одночасно на екрані. GPU робить це, виконуючи паралельні обчислення, використовуючи відносно просту архітектуру. Таким чином, процесори та відеокарти традиційно інтегруються окремо в ПК, ігрові консолі, планшети, смартфони, а останнім часом у деякі сервери та суперкомп’ютери.
Сьогодні центральний процесор і графічний процесор все більше інтегруються в єдине ціле, відоме в галузі як прискорений процесор (APU).
Незважаючи на те, що був зроблений важливий крок у правильному напрямку, ще багато чого слід дослідити, щоб мати можливість поєднати два гармонійні та неоднорідні типи процесорів, які можуть покращити продуктивність та мінімізувати енергоспоживання. Це призвело до розвитку галузевого стандарту, відомого як архітектура різнорідних систем (HSA).
Мета HSA полягає в тому, щоб забезпечити безперебійну роботу пари CPU-GPU в APU. Багато завдань, таких як розпізнавання шаблонів, виконуються набагато ефективніше, коли графічний процесор і центральний процесор працюють паралельно. Ця можливість важлива для багатьох застосувань, таких як розпізнавання голосу, захист даних, медична візуалізація, послідовне розшифрування геному ДНК, а також для додатків, орієнтованих на первинні наукові дослідження та виконуваних за допомогою суперкомп'ютерів. Крім того, це практичне поєднання двох типів процесорів може призвести до значного поліпшення продуктивності та енергоефективності.
Зміна робочого навантаження також впливає на енергоспоживання процесорів. Більшість комп’ютерів працюють з повною потужністю лише частку часу, найчастіше 1% їх тривалості життя.
Тому більшу частину часу діяльність процесора зазвичай характеризує час простою - період між виконанням двох команд або відтворенням двох кадрів відео. Нові технології енергоефективності оптимізують споживання під час простою та дозволяють підвищити ефективність.
Наприклад, коли існують більш широкі обчислювальні вимоги, такі як відтворення відео, процесорам потрібен більший обсяг енергії, який потім зменшується після завершення завдання. Раптові зміни спричиняють значні коливання живлення мікросхеми. Архітектори мікропроцесорів зазвичай надають надлишкову потужність, щоб забезпечити нормальну роботу процесора. Але ця практика є витратною з точки зору енергії. Швидке регулювання напруги для задоволення всіх потреб програми - це можливість усунути втрачену потужність. Новітні процесори включають технології, що знижують споживання енергії на 10-20%.
На додаток до використовуваної архітектури та енергоефективного кремнію, методи управління енергією можуть додатково призвести до підвищення енергоефективності. Приклад наводить дуже точний моніторинг та управління потужністю, температурою та активністю ВСУ. Це дозволяє процесору динамічно розподіляти потужність відповідно до обчислювальних потреб і, таким чином, призводить до збільшення продуктивності.
Коротше кажучи, ніхто не може сказати, коли і коли закон Мура закінчиться; однак, безсумнівно, потужність, що використовується пристроями, значно зросла. Одночасно збільшується споживання енергії споживачами, а кількість пристроїв на ринку збільшується. Ця проблема вимагає розумного підходу для подолання фізичних меж постійно зменшуваних транзисторів з метою подальшого підвищення обчислювальних характеристик. У майбутньому більша частина виграшу в енергоефективності буде результатом архітектури, схем та методів управління споживанням.