|
С учетом постоянного роста применений информационных технологий энергетическая эффективность стала приоритетом для компьютерных систем общего и специального назначения и одной из движущих сил совершенствования архитектур и технологий как мобильных и встраиваемых процессоров, так и мощных суперкомпьютеров и серверов. С одной стороны, это связано с необходимостью снижения уровня потребления энергии, поскольку ограничения по величине выделяемого тепла стали препятствовать дальнейшему увеличению производительности процессоров. С другой, это обусловлено мировой тенденцией к экономии энергетических ресурсов.
Необходимость экономии потребляемой энергии становится значительной проблемой применения компьютеров:
- средний персональный компьютер (ПК) требует выработки в год примерно 1000 кВт·ч энергии, и если умножить число находящихся в пользовании ПК на 1000, то в масштабах страны получается вполне серьезная цифра;
- если считать, что за последние 15 лет производительность суперкомпьютеров при выполнении научных приложений выросла в 10 тыс. раз, то производительность (в пересчете на единицу потребляемой мощности) за то же самое время увеличилась только в 300 раз. Сегодня потребляемая мощность наиболее производительных петафлопных суперкомпьютеров достигает 10 МВт. К 2019 году ожидаются машины экзофлоповой производительности, и, если они будут изготавливаться на основе сегодняшней технологии, надо оценивать их потребление мощности в гигаваттах;
- нельзя игнорировать и тот факт, что само производство компьютеров тоже является чрезвычайно материало- и энергоемким. По некоторым данным в весовых показателях выход полезных продуктов в полупроводниковой отрасли сравним только с ядерным производством, а удельные затраты энергии в полупроводниковой отрасли на порядки выше, чем в машиностроении. Нет ничего удивительного в том, что многие компании отрасли не имеют собственного производства, используя для этой цели ресурсы третьих стран;
- дополнительным фактором роста энергозатрат, связанных с применением информационных технологий, служит короткий срок морального старения компьютерной техники, что приводит к интенсификации расходования ресурсов и необходимости утилизации отходов с высоким содержанием вредных веществ. Действуют уже несколько международных организаций, призванных контролировать утилизацию вышедших из употребления компьютеров.
В этой связи, повышение энергетической эффективности в сфере производства и применения компьютерной техники должно быть направлено на:
- разработку и внедрение энергосберегающих технологий производства (включая производство материалов и компонент);
- оптимизацию характеристик энергопотребления различных классов компьютерной техники;
- использование энергосберегающих технологий утилизации отслуживших устройств.
Решение проблемы энергосбережения актуально для всего диапазона компьютерной техники - от персональных компьютеров до суперЭВМ, несмотря на существенные различия режимов их применения.
Для ПК и рабочих станций характерно требование обеспечения пиковой производительности только в течение коротких периодов. КПД используемых в ПК маломощных источников питания не превышает 90%. Программное выключение ПК оставляет компьютер в сети, и он продолжает потреблять свои 2 - 3 Вт, а если умножить их на сотни миллионов пользователей, то получается значительный расход энергии.
С другой стороны, специфика применения требует постоянного режима работы серверов и высокопроизводительных (и, соответственно, энергоемких, в т.ч. из-за большой номенклатуры внешних устройств) вычислительных систем, несмотря на то, что энергопотребление их может меняться в зависимости от параметров загрузки. Такой характер работы заставляет особое внимание уделять обеспечению высокой энергетической эффективности при пиковых уровнях производительности и в режиме бездействия, поддерживая пассивные низкоэнергоемкие режимы, такие как режим ожидания или режим бездействия, во время которых уровень энергопотребления близок к нулю. В современных серверах наименее эффективно энергия расходуется именно в самых типичных режимах их работы - большую часть времени уровень их загрузки составляет 10-50% от максимального. Под уровнем загрузки (utilization) понимается производительность приложения (например, число запросов в секунду на Web-сервере), нормализованную по производительности в периоды пиковой нагрузки. Устранение дисбаланса оказывает влияние на подходы к реализации компонентов и систем.
Соответственно, должны разрабатываться и применяться стандарты совершенствования системы управления питанием, определяющие интерфейсы между аппаратными средствами управления питанием и операционными системами компьютеров, а также поддерживаться другие инициативы, направленные на то, чтобы стимулировать внедрение высокоэффективных источников энергии (с КПД свыше 90%) и использование функций энергосбережения, уже имеющихся в оборудовании пользователей. Современные процессоры в режимах ожидания или низкой активности могут расходовать значительно меньшую часть своей пиковой потребляемой мощности, т.е. динамический диапазон может составлять 10 - 80% от максимального потребления.
Технологии создания энергетически эффективных микросхем, управления тактовыми частотами, а также динамическое масштабирование напряжения и рабочей частоты оказываются полезными и для ПК, и для серверов, и для высокопроизводительных процессорных систем.
Создание более эффективных центральных процессоров, базирующихся на многоядерной архитектуре, также способствует появлению энергосберегающих серверов. Однако долгосрочные тенденции неизменно свидетельствуют о том, что для достижения более высокой производительности требуется более высокий уровень использования энергии. В итоге энергетическую эффективность систем необходимо увеличивать теми же темпами, что и производительность компьютеров, чтобы избежать значительного роста уровня энергопотребления. Компромисс между энергетической эффективностью компьютеров и их производительностью при решении задач должен быть целью разработчиков компонентов и систем, имея в виду целесообразность создания проектов, обеспечивающих потребление энергии пропорционально объему выполняемых вычислений.
Важнейшим компонентом для достижения энергоэффективности является программное обеспечение (ПО), в том числе программная реализация системы управления питанием (в соответствии с интерфейсами между аппаратными средствами источника питания и операционной системой) и программные средства для исследования возможностей энергосбережения при решении прикладных задач. Для многоядерных платформ значение ПО становится еще более важным, так как учет особенностей многоядерной и многопоточной организаций вычислительной системы существенно влияет не только на многозадачную производительность таких платформ, но и на эффективность использования электроэнергии.
Группа исследователей во главе с Джоном Куми (Jon Koomey) обнаружила интересное следствие принципа Мура, в соответствии с которым плотность размещения транзисторов на единице площади микросхемы увеличивается вдвое каждые полтора-два года.
Как утверждает Куми, повышение быстродействия процессоров на всём протяжении истории сопровождалось пропорциональным повышением их эффективности в пересчёте на киловатт затраченной энергии. Вычислительная производительность компьютеров с сороковых годов прошлого века в пересчёте на киловатт-час энергии удваивалась каждые полтора года. Эта закономерность привела к текущему уровню распространения ноутбуков, смартфонов и планшетов, поскольку без планомерного снижения энергопотребления с одновременным ростом производительности такой всплеск интереса к мобильным устройствам не был бы возможен. Конечно, совершенствовались и батареи, питающие мобильные компьютеры, но их прогресс идёт не такими темпами, как снижение энергопотребления процессоров.
Современные концепции создания вычислительной техники в качестве одного из важнейших требований должны учитывать необходимость повышения, как производительности, так и энергоэффективности. Например, управление перспективных исследовательских программ Пентагона (ДАРПА) объявило о развертывании программы создания в ближайшие годы "инновационного поколения компьютерных систем".
Перед разработчиками поставлена задача "заново изобрести компьютеры", то есть создать "радикально новые модели компьютерной архитектуры и программирования", которые в 100-1000 раз превосходили бы нынешние образцы по энергоэффективности и выгодно отличались бы от них по рабочим показателям и легкости программирования. Опытные образцы должны быть готовы к 2018 г.
| 
Энергоэффективность компьютерной техники
На главную
к которой присоединились Европейский союз, Австралия, Канада, Япония и другие страны. Соответствие стандарту пока является добровольным. Однако производители обнаружили, что компьютеры с сертификатом Energy Star лучше продаются. Устройства, имеющее логотип Energy Star, имеют среднее энергопотребление на 20 % — 30 % меньше своих аналогов равной функциональности. Методология тестирования энергопотребления унифицирована.