高能效信息技術(shù)的未來(lái)，超越摩爾定律

　　在微處理器發(fā)展的前20年中，唯一的目標(biāo)是如何使其極速運(yùn)行。而在過(guò)去10年，這一目標(biāo)則持續(xù)圍繞如何提高效率!乍一聽(tīng)很可笑，但如果您意識(shí)到機(jī)器在待機(jī)狀態(tài)下比運(yùn)行時(shí)更節(jié)能，就不會(huì)這么覺(jué)得了。試想一下：當(dāng)阿波羅13號(hào)的宇航員們?cè)庥鲭U(xiǎn)境時(shí)，讓他們順利返航的關(guān)鍵，就是關(guān)閉所有非必要系統(tǒng)來(lái)節(jié)省能源。并且只有在系統(tǒng)工作所需的精確時(shí)間內(nèi)才將其開(kāi)啟。現(xiàn)代微處理器和片上系統(tǒng)可以自動(dòng)完成這一動(dòng)作 — 我們無(wú)需再等候任務(wù)控制中心的緊急指令?，F(xiàn)代硅芯片的準(zhǔn)則是快速運(yùn)行，然后關(guān)閉。它們具備啟用和管理單個(gè)功能塊功耗的能力，從而更加智能地完成這一操作：選擇運(yùn)行關(guān)鍵任務(wù)和優(yōu)化運(yùn)行，或是關(guān)閉以節(jié)省電力。

　　Mark Papermaster AMD高級(jí)副總裁兼首席技術(shù)官

　　信息技術(shù)(IT)是日常生活的一部分

　　當(dāng)我們樂(lè)此不疲地查看手持設(shè)備時(shí)，很少有人會(huì)想到究竟是什么樣的IT基礎(chǔ)設(shè)施，才能做到將所有的信息都置于我們掌上。而考慮運(yùn)行這種基礎(chǔ)設(shè)施所需能源的人，更是少之又少。 我們大多數(shù)人關(guān)于IT能效最關(guān)注的一點(diǎn)，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(lè)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(píng)價(jià)餐廳，我們與互聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)系從未如此緊密，而未來(lái)的發(fā)展沒(méi)有終點(diǎn)。智能手機(jī)風(fēng)暴席卷全球始自2007年iPhone的推出。開(kāi)發(fā)商繼而推出幾乎我們能想得到的應(yīng)用，智能手機(jī)成為生活中不可或缺的一部分。例如，據(jù)2012年一篇報(bào)道指出，18歲至29歲的人群當(dāng)中有90%在睡覺(jué)時(shí)把智能手機(jī)放在身邊，這一數(shù)字令人震驚! 計(jì)算設(shè)備正在飛速地滲透到日常生活的一點(diǎn)一滴。

　　接下來(lái)即將來(lái)臨的是可穿戴技術(shù)，如谷歌眼鏡?、智能手表和各式各樣的健身或健康監(jiān)測(cè)設(shè)備 --——它們無(wú)不希望在市場(chǎng)上爭(zhēng)奪一席之地。而所有這一切的發(fā)生正是始于超級(jí)互聯(lián)的“物聯(lián)網(wǎng)”，大量設(shè)備或電器將與互聯(lián)網(wǎng)連接，“環(huán)繞計(jì)算(Surround Computing)”將讓我們沉浸于計(jì)算性能，預(yù)測(cè)我們的需求，并且為我們無(wú)縫提供與環(huán)境有關(guān)的信息。 環(huán)繞計(jì)算真可謂是一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)的“超集合”，因?yàn)樗瑯用枋隽宋覀儗⑷绾巫匀坏嘏c技術(shù)進(jìn)行互動(dòng)，以及技術(shù)將如何以各種新穎、令人激動(dòng)的方式給我們帶來(lái)更多的可能性。但與此同時(shí)，關(guān)于如何解答向不斷增長(zhǎng)的基礎(chǔ)架構(gòu)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(zhǎng)

　　根據(jù)麻省理工學(xué)院能源倡議，“全球30億臺(tái)個(gè)人電腦所消耗的能源超過(guò)全球能耗總量的 1%，3000萬(wàn)臺(tái)計(jì)算機(jī)服務(wù)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(lái)自于互聯(lián)網(wǎng)、智能手機(jī)和萬(wàn)物聯(lián)網(wǎng)用量的爆發(fā)式增長(zhǎng)，也會(huì)使這一數(shù)字不斷激增?！?同樣，據(jù)美國(guó)能源署預(yù)計(jì)，“在美國(guó)，IT及電信設(shè)施每年消耗約 1200 億千瓦時(shí)的電量 — — 或占全美用電的3%?！?/p>

　　能效和IT

　　但好消息是，正如Jonathan Koomey博士在麻省理工學(xué)院科技評(píng)論上所論述的那樣，“自20世紀(jì)70年代以來(lái)，計(jì)算機(jī)性能實(shí)現(xiàn)了大幅穩(wěn)步增長(zhǎng)，每過(guò)一年半就會(huì)翻倍。而自計(jì)算機(jī)時(shí)代以來(lái)，計(jì)算的能效(每千瓦時(shí)用電可以完成的計(jì)算數(shù)目)同樣每過(guò)一年半就會(huì)翻倍。” 我相信被動(dòng)散熱型的筆記本電腦、 手機(jī)和平板電腦也都會(huì)延續(xù)這一趨勢(shì)，從而引發(fā)使用電池供電的計(jì)算設(shè)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(xiàng)需要固定計(jì)算次數(shù)的任務(wù)，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(tīng)起來(lái)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(shì) — — 即廣為人知的摩爾定律。摩爾定律曾精確地預(yù)測(cè)一個(gè) CPU 上的晶體管數(shù)目每?jī)赡陮⒃黾右槐丁Ｗ罡吣苄У内厔?shì)遵循相同的模式，因?yàn)楫?dāng)我們?cè)谝粋€(gè)處理器內(nèi)裝入更多的晶體管時(shí)，電流在設(shè)備中經(jīng)過(guò)的距離就會(huì)縮短，傳輸?shù)乃俣纫矔?huì)變快，從而減少了執(zhí)行特定單元的計(jì)算所需的電量。

　　但是在過(guò)去十年，曾經(jīng)幾近穩(wěn)定的能效增長(zhǎng)其實(shí)已經(jīng)放緩，現(xiàn)在則大大落后于摩爾定律的預(yù)測(cè)?，F(xiàn)在的問(wèn)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(lái)

　　未來(lái)，IT行業(yè)的能效預(yù)計(jì)將繼續(xù)提高，但增長(zhǎng)方式將發(fā)生很大變化。 例如，AMD最近宣布了一個(gè)雄心勃勃的目標(biāo)，2014 年至 2020 年，要使我們整個(gè)移動(dòng)處理器產(chǎn)品線的“一般使用”能效增加 25 倍。我們計(jì)劃通過(guò)加速性能和降低能耗相結(jié)合的手段來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。 如果我們能達(dá)成這一目標(biāo)，這就意味著到 2020 年時(shí)，采用 AMD 技術(shù)的計(jì)算機(jī)僅需當(dāng)今計(jì)算機(jī) 1/5的時(shí)間來(lái)完成同樣的計(jì)算任務(wù)，而平均能耗還不到當(dāng)今計(jì)算機(jī)的1/5。我們可以設(shè)想一下，您開(kāi)的汽車(chē)可以獲得同樣的性能提升。假設(shè)能耗比利用率相似：如果現(xiàn)在您開(kāi)的是100馬力的車(chē)，每加侖汽油可跑30英里，6年內(nèi)其性能提升25倍，那么到2020年，您開(kāi)500馬力的車(chē)時(shí)，每加侖汽油可跑150英里。

　　2008年，該產(chǎn)品線剛剛實(shí)現(xiàn)了能效的10倍增長(zhǎng)，瞬即這一雄心勃勃的目標(biāo)就應(yīng)運(yùn)而生。未來(lái)的差別就是，多數(shù)收益將不再依賴(lài)于縮小單晶硅制程尺寸的傳統(tǒng)方法，抑或是業(yè)內(nèi)人士所說(shuō)的“快速到達(dá)下一個(gè)制程節(jié)點(diǎn)”。

　　我們通過(guò)處理器架構(gòu)升級(jí)和智能功耗管理對(duì)能效進(jìn)行積極的設(shè)計(jì)，而不是單純等待下一代硅技術(shù)投入使用。而且，在2014年至2020年期間，通過(guò)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)所獲得的能效收益，將超過(guò)摩爾定律的效率趨勢(shì)至少70 %。

　　以下是關(guān)鍵設(shè)計(jì)創(chuàng)新中的幾項(xiàng)，將有助于推動(dòng)AMD高能效IT在未來(lái)的發(fā)展：

　　· 異構(gòu)計(jì)算和功耗優(yōu)化：AMD加速處理器(APU)在一顆芯片上同時(shí)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(dú)立芯片之間的連接，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。AMD通過(guò)APU使計(jì)算工作負(fù)載在CPU和GPU之間無(wú)縫轉(zhuǎn)移，效率得到優(yōu)化，從而節(jié)省更多能源。作為異構(gòu)系統(tǒng)架構(gòu)的一部分，這一做法正在被業(yè)內(nèi)廣泛采用。

　　· 智能動(dòng)態(tài)功耗管理：可能會(huì)更名為“快速待機(jī)”，因?yàn)檫@一創(chuàng)新主要通過(guò)快速高效地完成一項(xiàng)任務(wù)，然后更快地返回超低功耗的待機(jī)狀態(tài)來(lái)取得能效上的優(yōu)勢(shì)。

　　· 未來(lái)的能效設(shè)計(jì)創(chuàng)新：未來(lái)，幀間功率門(mén)控、多域自適應(yīng)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(shù)，將使能效更加快速地提升。

　　AMD公司已實(shí)現(xiàn)“雙架構(gòu)”產(chǎn)品的供應(yīng)，同時(shí)涵蓋ARM和 x 86 指令集 — — 所以相同的功耗管理方法可應(yīng)用于絕大多數(shù)的IT應(yīng)用場(chǎng)景(基于 ARM 和 x86 處理器的市場(chǎng)預(yù)計(jì)到 2017 年增至850多億美元)。

　　能效的重要性

　　在生死攸關(guān)的時(shí)刻，勇敢的阿波羅 13號(hào)宇航員們竭盡所能節(jié)省電力。我們對(duì)高能效IT的需求雖然沒(méi)有那么急迫，但風(fēng)險(xiǎn)也很高。到 2020年，聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)量預(yù)計(jì)達(dá)到地球人口的近五倍之多，造成能源需求增長(zhǎng)。這證明要滿(mǎn)足資訊社會(huì)的需求，節(jié)能技術(shù)是必不可少的。

　　而且，隨著預(yù)計(jì)聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的大規(guī)模增加，實(shí)現(xiàn)高能效IT有著強(qiáng)大的環(huán)境動(dòng)因。國(guó)際能源機(jī)構(gòu)(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(guò)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(wèn)題，但它卻是解決方案的重要組成部分。

　　提升IT設(shè)備的能效只是一個(gè)方面。支持IT的設(shè)備還能幫助其他系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更高能效。最近研究預(yù)測(cè)，借助支持IT的設(shè)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(guò)許多不同應(yīng)用實(shí)現(xiàn)，這些應(yīng)用涵蓋智能電網(wǎng)、先進(jìn)的暖通空調(diào)系統(tǒng)以及傳感器驅(qū)動(dòng)的智能交通管理等。該研究預(yù)測(cè)，到2020年，借助支持IT的設(shè)備節(jié)省的能源和燃料成本將達(dá)1.9萬(wàn)億美元，溫室氣體排放將減少91億噸二氧化碳當(dāng)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?cè)诠?jié)約能源方面取得的成果，以及這些技術(shù)給整個(gè)世界帶來(lái)的價(jià)值感到非常自豪。 而未來(lái)將要誕生的創(chuàng)新甚至讓我更加興奮。

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為什么麻省理工的博士生要為哈佛的MBA打工？       http://www.ex-cimer.com/article/268720.htm