高能效IT未来超越摩尔定律

　　试想一下：当阿波罗13号宇航员遭遇险境时，让他们顺利返航的关键是关闭所有非必要系统来节省能源。并且只有在系统工作所需的精确时间内才将其开启。现代微处理器和片上系统可以自动完成这一动作———我们无需再等候任务控制中心的紧急指令。现代硅芯片的准则是快速运行，然后关闭。它们具备启用和管理单个功能块功耗的能力，从而更加智能地完成这一操作：选择运行关键任务和优化运行，或关闭以节省电力。

　　IT融入生活

　　当我们乐此不疲地查看手持设备时，很少有人会想到支撑这些信息并置于我们掌上的IT基础设施运行需要多少能源。我们大多对IT能效最关注的一点是希望电池能够支撑一整天的使用。

　　从流媒体视频或音乐到共享照片、到社交媒体，再到跟踪我们的健身信息，我们与互联网的联系从未如此紧密，而未来发展没有终点。自2007年iPhone推出，智能手机风暴席卷全球，智能手机成为我们生活不可或缺的部分。计算设备正在飞速地渗透到日常生活的一点一滴。

　　接下来即将来临的是可穿戴技术，如谷歌眼镜、智能手表和各种健身或健康监测设备———它们无不希望在市场上争夺一席之地。而所有这一切的发生正始于超级互联的“物联网”，大量设备或电器将与互联网连接，“环绕计算”将让我们沉浸于计算性能，预测我们的需求，并且为我们无缝提供与环境有关的信息。环绕计算真可谓是一个物联网的“超集合”，因为它同样描述了我们将如何自然地与技术进行互动，以及技术将如何以各种新颖、令人激动的方式给我们带来更多可能性。与此同时，关于如何解答向不断增长的基础架构供能这一重要命题，也不断地被提及。

　　IT能耗巨大且持续增长

　　麻省理工学院能源倡议，“全球30亿台个人电脑所消耗的能源超过全球能耗总量的1%，3000万台计算机服务器所消耗的电力又额外增加了全球能耗总量的1.5%，每年的成本为140亿至180亿美元。此外，来自于互联网、智能手机和万物联网用量的爆发式增长，也会使这一数字不断激增。”同样，据美国能源署预计，“在美国，IT及电信设施每年消耗约12003亿千瓦时的电量，或占全美用电的3%。”

　　好消息是，如Jonathan Koomey博士在麻省理工学院科技评论上提及的，“自20世纪70年代以来，计算机性能实现了大幅稳步增长，每过一年半就会翻倍。而自计算机时代以来，计算的能效（每千瓦时用电可以完成的计算数目）同样每过一年半就会翻倍。”我相信被动散热型的笔记本电脑、手机和平板电脑也都会延续这一趋势，从而引发使用电池供电的计算设备功耗迅速降低。

　　Koomey博士还指出“据观察，执行一项需要固定计算次数的任务，每一年半所用电量减少一半”如果这听起来很熟悉，那并不奇怪。这就是1965年由戈登·摩尔发现的指数改善趋势———摩尔定律。摩尔定律曾精确地预测一个CPU上的晶体管数目每两年将增加一倍。最高能效的趋势遵循相同的模式，因为当我们在一个处理器内装入更多的晶体管时，电流在设备中经过的距离就会缩短，传输的速度也会变快，从而减少执行特定单元的计算所需的电量。

　　但在过去十年，曾经几近稳定的能效增长已经放缓，大大落后于摩尔定律的预测。现在的问题是如何才能以最好的方式回到正轨上？

　　高能效IT的未来

　　未来，IT行业的能效预计将继续提高，但增长方式将发生很大变化。例如，AMD最近宣布了一个目标，2014年至2020年，要使我们整个移动处理器产品线的“一般使用”能效增加25倍。我们计划通过加速性能和降低能耗相结合的手段来实现这一目标。如果我们能达成目标，就意味着到2020年时，采用AMD技术的计算机仅需当今计算机1/5的时间来完成同样的计算任务，而平均能耗还不到当今计算机的1/5。

　　2008年，该产品线刚刚实现了能效的10倍增长，随即，这一雄心勃勃的目标就应运而生。未来的差别就是，多数收益将不再依赖于缩小单晶硅制程尺寸的传统方法，抑或是业内人士所说的“快速到达下一个制程节点”。

　　我们通过处理器架构升级和智能功耗管理对能效进行积极设计，而不是单纯等待下一代硅技术投入使用。

　　而且在2014年至2020年期间，通过实现这一目标所获得的能效收益，将超过摩尔定律的效率趋势至少708%。

　　以下是关键设计创新中的几项，将有助于推动AMD高能效IT在未来的发展：

　　异构计算和功耗优化：AMD加速处理器（APU）在一颗芯片上同时整合了中央处理器（CPU）以及图形处理器（GPU）。将CPU和GPU融合在同一颗芯片上，取消了独立芯片之间的连接，从而实现节能。AMD通过APU使计算工作负载在CPU和GPU之间无缝转移，效率得到优化，从而节省更多能源。作为异构系统架构的一部分，这一做法正在被业内广泛采用。

　　智能动态功耗管理：可能会更名为“快速待机”，因为这一创新主要通过快速高效地完成一项任务，然后更快地返回超低功耗的待机状态来取得能效上的优势。

　　未来的能效设计创新：未来，帧间功率门控、多域自适应电压、电压岛、系统组件深度集成，以及其它正在研发阶段的技术，将使能效更加快速地提升。

　　AMD公司已实现“双架构”产品的供应，同时涵盖ARM和x86指令集———所以相同的功耗管理方法可应用于绝大多数的IT应用场景（基于ARM和x86处理器的市场预计到2017年增至850多亿美元）。

　　能效的重要性

　　到2020年，联网设备的数量预计达到地球人口的近五倍之多，造成能源需求增长。这证明要满足资讯社会的需求，节能技术是必不可少的。

　　随着预计联网设备的大规模增加，实现高能效IT有着强大的环境动因。国际能源机构（IEA）将能效比作“世界上首要的燃料”。同样，节约能源联盟也指出“通过减少燃料使用，提高能效，是避免气候变化的最重要手段之一”。虽然单凭高能效IT并不能充分解决气候变化问题，但它却是解决方案的重要组成部分。

　　提升IT设备的能效只是一个方面。支持IT的设备还能帮助其他系统实现更高能效。最近研究预测，借助支持IT的设备，全球温室气体（GHG）排放在2020年前可削减16.5%。这些收益将通过许多不同应用实现，这些应用涵盖智能电网、先进的暖通空调系统以及传感器驱动的智能交通管理等。该研究预测，到2020年，借助支持IT的设备节省的能源和燃料成本将达1.9万亿美元，温室气体排放将减少91亿吨二氧化碳当量。

　　作为将毕生精力投入到高科技行业的一分子，我为我们在节约能源方面取得的成果，以及这些技术将给整个世界带来的价值感到非常自豪。

　　而未来将要诞生的创新甚至让我更加兴奋。

　　Mark Papermaster