Accelerând eficienţa energetică mai repede decât o spune legea lui Moore

Eficienţa energetică devine din ce în ce mai importantă datorită evoluţiei puterii de calcul. O dată cu dezvoltarea tehnologiei din ultimii 20 de ani şi cu beneficiile aduse de aceasta în toate domeniile a crescut si ampreta de mediu datorată energiei consumate. Evoluţia tehnologiei spre cloud computing, conectivitate “always on” şi experienţe captivante precum realitatea virtuală necesită creşterea performanţei de procesare. Conform statisticilor, computerele şi telefoanele mobile vor consuma 14% din energia produsă pe Tera până în 2020. 

Rezultatul tuturor acestor factori se reflectă printr-o atracţie puternică pe piaţă pentru tehnologiile ce îmbunătăţesc performanţa procesorului în timp ce reduc, de asemenea, consumul de energie. Eficienţa energetică este descrisă ca un echilibru între îmbunătăţirea performanţei şi reducerea sau menţinerea consumului de energie.

Incursiune în viitor

Istoric vorbind, îmbunătăţirea eficienţei energetice a devenit în mare măsură un produs secundar al Legii lui Moore ce prevede dublarea numărului de tranzistori realizabili pe un cip la fiecare doi ani. În general, proiectarea mai multor tranzistori pe un singur cip, reducând dimensiunile fizice a acestora, duce la o performanţă mai bună şi la o eficienţă energetică mai mare/ridicată.

Cu toate acestea, beneficiile legate de consumul de energie ce rezultă din Legea lui Moore devin din ce în ce mai mici şi riscă să afecteze viitoarele descoperiri. Am ajuns la un nivel în care miniaturizarea tranzistoarelor a atins limitele fizicii. În aceste condiţii curentul rezidual devine o provocare din ce în ce mai mare pentru ingineri şi drept urmare majoritatea proiectanţilor de circuite a început să se întrebe dacă Legea lui Moore va continua într-un ritm tradiţional.

Potrivit IEEA (International Energy Efficiency Agency) vorbim de o creştere a puterii de procesare şi eficienţei energetice constantă o dată cu dublarea numărului de tranzistori. În ultima vreme, această creştere a încetinit vizibil şi prin urmare proiectanţii de semiconductori vor trebui să suplimenteze această scădere a eficienţei prin măsuri creative.

Ne-am asumat scăderea consumului energetic al produselor noastre de 25 de ori până în 2020.  Această initiativă se mai numeşte şi 25×20 şi va schimba total implicaţiile tehnologiei asupra economiei şi mediului.

Pentru a contracara efectele negative de mai sus, provenite din dublarea numărului de tranzistori incluşi într-un procesor, am reuşit să dezvoltăm noi arhitecturi şi să integrăm tehnologii de eficientizarea consumului.

Timp de decenii, unitatea centrală de procesare (CPU) a unui calculator a fost proiectată pentru a rula sarcini generale de programare. Aceste procesoare excelează în rularea instrucţiunilor de calcul în serie – dacă condiţia A este validă, se execută B, apoi C, etc. – şi folosesc o varietate de tehnici şi algoritmi complecşi pentru a îmbunătăţi viteza. Prin contrast, unitaţile de procesare grafica (GPU) sunt acceleratori specializaţi ce au fost concepuţi iniţial pentru redarea a milioane de pixeli simultan pe un ecran. GPU-ul face acest lucru prin efectuarea de calcule în paralel, folosind o arhitectură relativ simplă. Astfel, procesoarele şi plăcile video au fost integrate în mod traditional separat în PC-uri, console de jocuri, tablete, telefoane inteligente şi cel mai recent în unele servere si supercalculatoare.

Astăzi, CPU şi GPU-ului sunt tot mai des integrate într-o singură entitate, cunoscută în industrie ca o unitate de procesare accelerată (APU).

În timp ce un pas important în direcţia cea bună a fost făcut, a rămas foarte mult teren de explorat pentru a fi în stare să reunim cele două tipuri de procesoare armonioas şi eterogen, fapt ce poate îmbunătăţi performanţa şi minimiza consumul de energie. Acest lucru a dus la un standard industrial în curs de dezvoltare, cunoscut sub numele de arhitectura sistemelor eterogene (HSA).

Scopul HSA este de a permite perechii CPU-GPU să funcţioneze fără probleme în cadrul unui APU. Multe sarcini de lucru, cum ar fi recunoaşterea formelor (pattern recognition), sunt executate mult mai eficient atunci când GPU-ul şi CPU-ul lucrează în paralel. Această capacitate este importantă pentru multe aplicaţii precum recunoaşterea vocii, securitatea datelor, imagistica medicala, descifrarea secventila a genomului unui AND dar şi pentru aplicaţii axate pe cercetarea ştiinţifică primară şi efectuate cu ajutorul supercomputerelor. În plus, această fuziune practică a celor două tipuri de procesoare poate duce la o îmbunătăţire dramatică a performanţelor şi a eficienţei energetice.

Schimbarea volumlui de lucru afectează de asemenea consumul de putere al procesoarelor. Majoritatea calculatoarelor rulează la capacitate maxima doar o fracţiune din timp, de cele mai multe ori 1% din perioada de viaţă.

Prin urmare, de cele mai multe ori  activitatea unui procesor este de obicei caracterizată de timpul de inactivitate – perioada între efectuarea a două comenzi sau redarea a două cadre ale unui videoclip. Noile tehnologii de eficientizare energetică optimizează consumul în momentele de inactivitate şi permit un randament mai ridicat.

De exemplu, atunci când există cerinţe de calcul mai ample, cum ar fi o redare video, procesoarele necesită un volum mai mare de energie, care apoi scade când sarcina este finalizată. Schimbările bruşte cauzeză fluctuaţii semnificative în alimentarea cu energie a cipului. Arhitectii de microprocesoare furnizeză de obicei un exces de putere pentru a se asigura că procesorul lucrează în parametrii normali. Dar această practică este costisitoare din punct de vedere energetic. Ajustarea rapidă a tensiunii pentru a răspunde tuturor nevoilor aplicaţiilor reprezintă o oportunitate de a elimina puterea pierdută. Ultimele procesoare includ tehnologii ce scad consumul de energie cu 10-20%.

Pe lângă arhitectura utilizată şi siliciu eficient din punct de vedere energetic, tehnicile de gestionare a energiei pot conduce în continuare la creşterea eficienţei energetice. Un exemplu este dat de monitorizarea foarte fină şi gestionarea puterii, temperaturii şi activitaţii APU-ului. Acest lucru permite unui procesor să-şi aloce dinamic puterea în funcţie de necesităţile de calcul şi duce implicit la o creştere a performanţei.

Pe scurt, nimeni nu poate spune exact când sau dacă Legea lui Moore va înceta; cu toate acestea, nu există nici o îndoială că puterea folosită de dispozitive a crescut substanţial. În acelaşi timp, consumul de energie suportat de utilizatori e tot mai mare iar numărul de dispozitive aflate pe piaţă e în creştere. Aceasta problemă necesită o abordare inteligentă pentru a depăşi limitele fizice ale tranzistorilor tot mai mici, în scopul de a continua creşterea performanţelor de calcul. În viitor, cea mai mare parte a câştigurilor în materie de eficienţă energetică vor rezulta din arhitectura, circuitistică şi tehnici de gestionare a consumului.