高能效信息技術的未來，超越摩爾定律

　　在微處理器發(fā)展的前20年中，唯一的目標是如何使其極速運行。而在過去10年，這一目標則持續(xù)圍繞如何提高效率!乍一聽很可笑，但如果您意識到機器在待機狀態(tài)下比運行時更節(jié)能，就不會這么覺得了。試想一下：當阿波羅13號的宇航員們遭遇險境時，讓他們順利返航的關鍵，就是關閉所有非必要系統(tǒng)來節(jié)省能源。并且只有在系統(tǒng)工作所需的精確時間內才將其開啟?，F(xiàn)代微處理器和片上系統(tǒng)可以自動完成這一動作 — 我們無需再等候任務控制中心的緊急指令?，F(xiàn)代硅芯片的準則是快速運行，然后關閉。它們具備啟用和管理單個功能塊功耗的能力，從而更加智能地完成這一操作：選擇運行關鍵任務和優(yōu)化運行，或是關閉以節(jié)省電力。

　　Mark Papermaster AMD高級副總裁兼首席技術官

　　信息技術(IT)是日常生活的一部分

　　當我們樂此不疲地查看手持設備時，很少有人會想到究竟是什么樣的IT基礎設施，才能做到將所有的信息都置于我們掌上。而考慮運行這種基礎設施所需能源的人，更是少之又少。 我們大多數(shù)人關于IT能效最關注的一點，就是希望電池能夠支撐一整天的使用。

　　從流媒體視頻或音樂到共享照片、到社交媒體，再到跟蹤我們的健身信息，抑或是評價餐廳，我們與互聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)系從未如此緊密，而未來的發(fā)展沒有終點。智能手機風暴席卷全球始自2007年iPhone的推出。開發(fā)商繼而推出幾乎我們能想得到的應用，智能手機成為生活中不可或缺的一部分。例如，據(jù)2012年一篇報道指出，18歲至29歲的人群當中有90%在睡覺時把智能手機放在身邊，這一數(shù)字令人震驚! 計算設備正在飛速地滲透到日常生活的一點一滴。

　　接下來即將來臨的是可穿戴技術，如谷歌眼鏡?、智能手表和各式各樣的健身或健康監(jiān)測設備 --——它們無不希望在市場上爭奪一席之地。而所有這一切的發(fā)生正是始于超級互聯(lián)的“物聯(lián)網(wǎng)”，大量設備或電器將與互聯(lián)網(wǎng)連接，“環(huán)繞計算(Surround Computing)”將讓我們沉浸于計算性能，預測我們的需求，并且為我們無縫提供與環(huán)境有關的信息。 環(huán)繞計算真可謂是一個物聯(lián)網(wǎng)的“超集合”，因為它同樣描述了我們將如何自然地與技術進行互動，以及技術將如何以各種新穎、令人激動的方式給我們帶來更多的可能性。但與此同時，關于如何解答向不斷增長的基礎架構供能這一重要命題，也不斷地被提及。

　　IT能耗巨大且持續(xù)增長

　　根據(jù)麻省理工學院能源倡議，“全球30億臺個人電腦所消耗的能源超過全球能耗總量的 1%，3000萬臺計算機服務器所消耗的電力又額外增加了全球能耗總量的1.5%，每年的成本為140億至180億美元。 此外，來自于互聯(lián)網(wǎng)、智能手機和萬物聯(lián)網(wǎng)用量的爆發(fā)式增長，也會使這一數(shù)字不斷激增?！?同樣，據(jù)美國能源署預計，“在美國，IT及電信設施每年消耗約 1200 億千瓦時的電量 — — 或占全美用電的3%。”

　　能效和IT

　　但好消息是，正如Jonathan Koomey博士在麻省理工學院科技評論上所論述的那樣，“自20世紀70年代以來，計算機性能實現(xiàn)了大幅穩(wěn)步增長，每過一年半就會翻倍。而自計算機時代以來，計算的能效(每千瓦時用電可以完成的計算數(shù)目)同樣每過一年半就會翻倍?！?我相信被動散熱型的筆記本電腦、 手機和平板電腦也都會延續(xù)這一趨勢，從而引發(fā)使用電池供電的計算設備功耗迅速降低。

　　Koomey博士還在其文章中指出“據(jù)觀察，執(zhí)行一項需要固定計算次數(shù)的任務，每一年半所用電量減少一半(或者每十年減少 100倍)?！?如果這聽起來很熟悉，那并不奇怪。這就是1965年由戈登·摩爾(Gordon Moore)發(fā)現(xiàn)的指數(shù)改善趨勢 — — 即廣為人知的摩爾定律。摩爾定律曾精確地預測一個 CPU 上的晶體管數(shù)目每兩年將增加一倍。最高能效的趨勢遵循相同的模式，因為當我們在一個處理器內裝入更多的晶體管時，電流在設備中經過的距離就會縮短，傳輸?shù)乃俣纫矔兛?，從而減少了執(zhí)行特定單元的計算所需的電量。

　　但是在過去十年，曾經幾近穩(wěn)定的能效增長其實已經放緩，現(xiàn)在則大大落后于摩爾定律的預測?，F(xiàn)在的問題是如何才能以最好的方式回到正軌上?

　　超越摩爾定律： 高能效IT的未來

　　未來，IT行業(yè)的能效預計將繼續(xù)提高，但增長方式將發(fā)生很大變化。 例如，AMD最近宣布了一個雄心勃勃的目標，2014 年至 2020 年，要使我們整個移動處理器產品線的“一般使用”能效增加 25 倍。我們計劃通過加速性能和降低能耗相結合的手段來實現(xiàn)這一目標。 如果我們能達成這一目標，這就意味著到 2020 年時，采用 AMD 技術的計算機僅需當今計算機 1/5的時間來完成同樣的計算任務，而平均能耗還不到當今計算機的1/5。我們可以設想一下，您開的汽車可以獲得同樣的性能提升。假設能耗比利用率相似：如果現(xiàn)在您開的是100馬力的車，每加侖汽油可跑30英里，6年內其性能提升25倍，那么到2020年，您開500馬力的車時，每加侖汽油可跑150英里。

　　2008年，該產品線剛剛實現(xiàn)了能效的10倍增長，瞬即這一雄心勃勃的目標就應運而生。未來的差別就是，多數(shù)收益將不再依賴于縮小單晶硅制程尺寸的傳統(tǒng)方法，抑或是業(yè)內人士所說的“快速到達下一個制程節(jié)點”。

　　我們通過處理器架構升級和智能功耗管理對能效進行積極的設計，而不是單純等待下一代硅技術投入使用。而且，在2014年至2020年期間，通過實現(xiàn)這一目標所獲得的能效收益，將超過摩爾定律的效率趨勢至少70 %。

　　以下是關鍵設計創(chuàng)新中的幾項，將有助于推動AMD高能效IT在未來的發(fā)展：

　　· 異構計算和功耗優(yōu)化：AMD加速處理器(APU)在一顆芯片上同時整合了中央處理器(CPU)以及圖形處理器(GPU)。將CPU和GPU融合在同一顆芯片上，取消了獨立芯片之間的連接，從而實現(xiàn)節(jié)能。AMD通過APU使計算工作負載在CPU和GPU之間無縫轉移，效率得到優(yōu)化，從而節(jié)省更多能源。作為異構系統(tǒng)架構的一部分，這一做法正在被業(yè)內廣泛采用。

　　· 智能動態(tài)功耗管理：可能會更名為“快速待機”，因為這一創(chuàng)新主要通過快速高效地完成一項任務，然后更快地返回超低功耗的待機狀態(tài)來取得能效上的優(yōu)勢。

　　· 未來的能效設計創(chuàng)新：未來，幀間功率門控、多域自適應電壓、電壓島、系統(tǒng)組件深度集成，以及其它正在研發(fā)階段的技術，將使能效更加快速地提升。

　　AMD公司已實現(xiàn)“雙架構”產品的供應，同時涵蓋ARM和 x 86 指令集 — — 所以相同的功耗管理方法可應用于絕大多數(shù)的IT應用場景(基于 ARM 和 x86 處理器的市場預計到 2017 年增至850多億美元)。

　　能效的重要性

　　在生死攸關的時刻，勇敢的阿波羅 13號宇航員們竭盡所能節(jié)省電力。我們對高能效IT的需求雖然沒有那么急迫，但風險也很高。到 2020年，聯(lián)網(wǎng)設備的數(shù)量預計達到地球人口的近五倍之多，造成能源需求增長。這證明要滿足資訊社會的需求，節(jié)能技術是必不可少的。

　　而且，隨著預計聯(lián)網(wǎng)設備的大規(guī)模增加，實現(xiàn)高能效IT有著強大的環(huán)境動因。國際能源機構(IEA)將能效比作“世界上首要的燃料”。同樣，節(jié)約能源聯(lián)盟也指出“通過減少燃料使用，提高能效，是避免氣候變化的最重要手段之一”。雖然單憑高能效IT并不能充分解決氣候變化問題，但它卻是解決方案的重要組成部分。

　　提升IT設備的能效只是一個方面。支持IT的設備還能幫助其他系統(tǒng)實現(xiàn)更高能效。最近研究預測，借助支持IT的設備，全球溫室氣體(GHG)排放在2020年前可削減16.5%。這些收益將通過許多不同應用實現(xiàn)，這些應用涵蓋智能電網(wǎng)、先進的暖通空調系統(tǒng)以及傳感器驅動的智能交通管理等。該研究預測，到2020年，借助支持IT的設備節(jié)省的能源和燃料成本將達1.9萬億美元，溫室氣體排放將減少91億噸二氧化碳當量。

　　作為將畢生精力投入到高科技行業(yè)的一分子，我為我們在節(jié)約能源方面取得的成果，以及這些技術給整個世界帶來的價值感到非常自豪。 而未來將要誕生的創(chuàng)新甚至讓我更加興奮。

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