高能效信息技術(shù)的未來——超越摩爾定律

? ? ? ?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。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(shù)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。

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(guān)鍵，就是關(guān)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(nèi)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(guān)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(guān)鍵任務和優(yōu)化運行，或是關(guān)閉以節(jié)省電力。

Mark Papermaster

AMD高級副總裁兼首席技術(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(guān)于IT能效最關(guān)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(shù)，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(guān)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(shù)進行互動，以及技術(shù)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(guān)于如何解答向不斷增長的基礎架構(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

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%?！?/p>

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(nèi)裝入更多的晶體管時，電流在設備中經(jīng)過的距離就會縮短，傳輸?shù)乃俣纫矔兛欤瑥亩鴾p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(jīng)幾近穩(wěn)定的能效增長其實已經(jīng)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(chǎn)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(jié)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(shù)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(nèi)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(chǎn)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(nèi)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(gòu)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(shù)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(guān)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(gòu)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(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(shù)，將使能效更加快速地提升。

AMD公司已實現(xiàn)“雙架構(gòu)”產(chǎn)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(guān)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(shù)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(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(diào)系統(tǒng)以及傳感器驅(qū)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(shù)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。

關(guān)于AMD

AMD是全球唯一一家設計x86/ARM微處理器和顯卡的公司，為包括個人電腦、平板電腦、游戲主機和云服務器等在內(nèi)的數(shù)千萬的智能設備提供強大動力，開啟環(huán)繞計算的新時代。

Mark Papermaster個人介紹

Mark Papermaster是AMD高級副總裁兼首席技術(shù)官，負責AMD工程、研發(fā)以及整個產(chǎn)品研發(fā)部門的工作。Papermaster在工程設計領(lǐng)域擁有超過30年的工作經(jīng)驗，曾擔任包括低功耗手持設備及高性能刀片式服務器在內(nèi)的各類產(chǎn)品的研發(fā)管理類職位。

在2011年10月加入AMD之前，Papermaster曾任思科公司硅工程業(yè)務副總裁，負責帶領(lǐng)團隊制定思科硅戰(zhàn)略和架構(gòu)，以及從事交換和路由業(yè)務相關(guān)的開發(fā)工作。

在加盟思科之前，他還曾擔任蘋果設備硬件工程部副總裁，負責iPod和iPhone的硬件開發(fā)。此外，他還曾在IBM出任多個高管職位，任職于公司的技術(shù)領(lǐng)導團隊并負責監(jiān)督微處理器和刀片式服務器核心技術(shù)的開發(fā)工作。

Papermaster擁有奧斯汀德克薩斯州大學電機工程學士學位，以及佛蒙特大學電機工程碩士學位。他目前是德克薩斯州大學科克雷爾工程學院咨詢委員會成員以及青少年糖尿病研究基金會IT咨詢委員會委員。