高能效信息技术的未来超越摩尔定律

1、高能效信息技术的未来超越摩尔定律在微处理器发展的前 20 年中，唯一的目标是如何使 其极速运行。而在过去 10 年，这一目标则持续围绕如何提 高效率！乍一听很可笑，但如果您意识到机器在待机状态下 比运行时更节能，就不会这么觉得了。试想一下：当阿波罗 13 号的宇航员们遭遇险境时， 让他们顺利返航的关键， 就是 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

2、务和优化运行，或是关闭以节省电力。信息 技术（IT）是日常生活的一部分当我们乐此不疲地查看手持设备时， 大多数人关于 IT 能 效最关注的一点，就是希望电池能够支撑一整天的使用。智能手机风暴席卷全球始自 2007 年 iPhone 的推出。开 发商继而推出几乎我们能想得到的应用，智能手机成为生活 中不可或缺的一部分。例如，据 2012 年一篇报道指出， 18 岁至 29 岁的人群当中有 90%在睡觉时把智能手机放在身边， 这一数字令人震惊！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 表和各式各样的健身或健康监测设备 它们无不希望在市场 上争夺一席

3、之地。而所有这一切的发生正是始于超级互联的 “物联网”，大量设备或电器将与互联网连接， “环绕计算 ( SurroundComputing )”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的可能性。 但与此同时， 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根据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

4、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 1200 亿千瓦时的电量或占全美用电的 3%。” 能效和 IT但好消息是，正如 JonathanKoomey 博士在麻省理工学 院科技评论上所论述的那样， “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。 ”

5、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 博士还在其文章中指出“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（或者 每十年减少 100 倍）。”如果这听起来很熟悉，那并不奇怪。 这就是 1965 年由戈登 ?摩尔（ GordonMoore ）发现的指数改 善趋势一一即广为人知的摩尔定律。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

6、减少了执行特定单元的计算所需的电量。但是在过去十年，曾经几近稳定的能效增长其实已经放 缓，现在则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？超越摩尔定律：高能效 lT 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 最近宣布了一个雄心勃勃的目 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。如果我们能达成这一目标， 这就意味着到 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

7、计算任务，而平均能耗还不 到当今计算机的 1/5 。我们可以设想一下，您开的汽车可以 获得同样的性能提升。假设能耗比利用率相似：如果现在您 开的是 100 马力的车， 每加仑汽油可跑 30 英里， 6 年内其性 能提升 25 倍，那么到 2020 年，您开 500 马力的车时，每加 仑汽油可跑 150 英里。2008 年，该产品线刚刚实现了能效的 10 倍增长，瞬即 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“央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 积极的设计， 而不是单纯等待下一

8、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70%。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“夹

9、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 x 86 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）。能效的重要性在生死攸关的时刻，勇敢的阿波罗 13 号宇航员们竭尽 所能节省电力。我们对高能效IT的需求虽然没有那么急迫，但风险也很高。到 202