高能效信息技術的未來 超越摩爾定律

CNET科技資訊網 9月19日 北京消息 在微處理器發展的前 20年中，唯一的目標是如何使其極速運行。

而在過去 10 年，這一目標則持續圍繞如何提高效率!乍一聽很可笑，但如果你意識到機器在待機狀態下比運行時更節能，就不會這麼覺得了。

試想：當阿波羅 13號的太空人們遭遇險境時，讓他們順利返航的關鍵，是關閉所有非必要系統來節省能源，並且只在系統工作所需的精確時間內將其開啟。

現代微處理器和片上系統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。

現代微處理器的準則是快速運行，然後關閉。

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化運行，或是關閉以節省電力。

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

當我們樂此不疲地使用手中的電子設備時，很少有人會想到究竟是什麼樣的IT基礎設施，才能做到將所有的信息都置於我們掌上。

而考慮運行這種基礎設施所需能源的人，更是少之又少。

我們大多數人關於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、再到追蹤我們的健身信息，抑或是評價餐館，我們與網際網路的聯繫比任何時候都要緊密，而未來的發展沒有終點。

智慧型手機風暴席捲全球始自2007年iPhone的推出。

開發商繼而推出幾乎所有我們能想得到的應用，智慧型手機成為生活中必不可少的一部分。

比如，據2012 年一篇新聞報導指出 ， 18 至 29 歲的人群當中有 90%在睡覺時把智慧型手機放在身邊，這一數字令人震驚!計算設備正在飛速地滲透日常生活的一點一滴。

接下來出現的是可穿戴技術 — — 比如谷歌眼鏡®，智能手錶和各式各樣的健身或健康監測設備 — — 他們無不希望在市場上爭奪一席之地。

而所有這一切的發生正是始於超級互聯的「物聯網」，大量的設備或電器將與網際網路連接，「環繞計算」將讓我們沉浸於計算性能，預測我們的需要，並且無縫地給我們提供與環境相關的信息。

環繞計算真可謂是一個物聯網的「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，關於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能耗巨大且持續增長

根據麻省理工學院能源倡議，「全球30 億台個人電腦所消耗的能源超過全球能耗總量的 1%，3000萬台計算機伺服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180億美金。

」此外，來自於網際網路和手機用量的爆髮式增長，也會使這一數字不斷激增。

同樣，據美國能源署預計，「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%。

」

能效與IT

但令人能鬆一口氣的好消息是，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，計算機性能實現了大幅穩步增長，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這一趨勢，從而引發使用電池供能的計算設備功耗迅速降低。

Koomey博士還在文章中指出「據觀察，執行一項需要固定計算次數的任務，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，那並不奇怪。

這就是1965年由戈登·摩爾(Gordon Moore)發現的指數改善趨勢 — — 被廣泛地稱作摩爾定律。

摩爾定律曾精確地預測一個 CPU 上的電晶體數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電晶體時，電流在設備中經過的距離就會縮短，傳輸的速度也會變快，從而減少了執行特定單元的計算所需的電量。

但是在過去十年，曾經幾近穩定的能效增長其實已經放緩，現在則大大落後於摩爾定律的預測。

現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行業的能效預計將繼續提高，但增長方式將發生很大變化。

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這一目標。

如果我們能達成這一目標，這就意味著到 2020 年時，採用 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。

這個能效提升計劃將不再依賴於縮小單晶矽製程尺寸的傳統方法，或是業內人士所說的「快速到達下一個製程節點」。

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矽技術投入使用。

而且，在2014年至2020年期間，通過實現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 %。

以下是關鍵設計創新中的幾項，將有助於推動AMD高能效IT在未來的發展：

異構計算與功耗優化：AMD加速處理器(APU)在一顆晶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融合在一顆晶片上，取消獨立晶片之間的連接，從而實現節能。

AMD通過APU使計算工作負載在CPU和GPU之間無縫轉移，效率得到優化，從而節省更多能源。

作為異構系統架構的一部分，這一做法正在被業內廣泛採用。

智能實時功耗管理：可能會更名為「快速待機」，因為這一創新主要通過快速高效地完成一項任務，然後更快地返回超低功耗的待機狀態來取得能效上的優勢。

未來的能效創新：未來，幀間功率門控、多域自適應電壓、電壓島、系統組件深度集成，以及其它正在研發階段的技術，將使能效更加快速地提升。

AMD公司已實現「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於絕大多數的IT應用場景(基於 ARM 和 x86 處理器的市場預計到 2017 年增至超過850億美元)。

能效的重要性

在生死攸關的時刻，勇敢的阿波羅 13號太空人們竭盡所能節省電力。

我們對高能效IT的需求雖然沒有那麼急迫，但風險也很高。

到 2020年，連網設備的數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，節能技術是必不可少的。

而且，隨著預計連網設備的大規模增加，實現高能效IT有著強大的環境動因。

國際能源機構 (IEA) 將能效比作「世界上首要的燃料」。

同樣，節約能源聯盟也指出「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並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。

作為將畢生精力投入到高科技行業的一分子，我為我們在節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新甚至讓我更加興奮。