效率度量指標的未來發展

Ｒｉｃｈａｒｄ　Ｆ．Ｚａｒｒ

很多時候，一個具有較好功率值的設備表面看來會比另外一個更好，但設計人員經常忽略了選擇較好功率值的代價，而這些代價初期并不明顯。將能效／功率指標標準化可有效地解決這些問題，而隨著工程師更看重如何降低系統的功耗，將度量指標標準化也顯得越來越重要。

例如，當您的競爭對手拿您的最高端及最高性能的產品跟他最低端的產品進行比較，他們的產品當然是功耗更低。所以能效的標準度量是很重要的，尤其對于復雜的功能而言。

宏觀層面

讓我們先從宏觀的角度觀察和考量一個典型的系統的度量指標。數據處理中心內的設備按照指定的規則將一個個位的數據從一個連接運送到另一個連接，這些規則可以是目的地的地址、優先次序、安全保護等等。這些系統的性能一般都經過調校，從而不會出現數據包丟失及瓶頸的問題。然而，隨著全球通信基建設備不斷地發展壯大，尤其在網絡上傳送視頻，這些數據處理中心對電力的需求正急劇增長。

因此，很多制造商希望能想出降低整體能耗的方法。可是，問題在于應該如何去公平地衡量功率。如果您只簡單地使用一個瓦特表去衡量功率，您得到的結果只是設備在那一瞬間的功率大小，它不能告訴您任何關于系統整體運作的情況。在我們的舉例中，系統可能正在每秒運送成千上萬個數據包，抑或已與網絡中斷通信。單純的功率指標就像是說“我汽車的引擎每小時消耗5加侖的汽油”，但它沒有告訴您引擎的性能是什么樣。在這個宏觀的指標中，電力是唯一被度量的因素。

在比較系統的時候，更有效的方法是首先考量系統的功能。舉例來說，該設備的運行是將數據包從一個連接運送到另一個連接。因此，度量設備的性能應以它的傳輸能力作為準則，也就是設備每秒可靠及無誤地傳送數據包的數量。一般來說，這個數值都是測試或設計數據提供的最高值。系統的最高吞吐量為性能的高低確定了一個極限，該極限也就是數據處理中心采購經理的選購指標。

方程式1表示范例系統在最高負載下的耗電量與數據包傳送數量的簡化比率。系統性能以每單位時間的數據包數量計算，而功率的量度單位則以每單位時間(秒，s)所消耗的能量(焦耳，J)計算，并以w(瓦)表示。因此，經過簡化之后的度量指標便是每傳送一個數據包(p)所需的能量(J／P_transferrde)。如果我們的范例系統在最高負載時每秒可傳送1億個數據包，同時提取300W的電力，那么最終的功率／性能比將會是3xlO。T每數據包，或是3μJ每數據包(3.0μJ／p)。

方程式1-能量度量的簡化式：

E_PT=P/T_P=E/s/P/s=E/P

其中E_PT=效率以焦耳每封包作單位計算(J／p)；P=功率(瓦特)；T_P=封包的傳輸速率以封包每秒作單位計算；s=秒；p=封包數量。

類似的度量計算方法也可應用到典型及較低負載的情況中。舉例而言，兩個高性能系統可以擁有絕對一樣的峰值吞吐量，而且功耗同樣都是400W。在最高吞吐量的水平下，表面上它們的表現都是一樣的，可是其中一個可能具備帶寬調節功能(bandwidth throttling)，可以把未使用的系統部分轉給較輕負載使用。這就是所謂的“自適性功率減省(APR)”，能夠有效地節省正常運作的功耗。如果系統缺少APR、它在較低負載時便需消耗更多能量。在我們的例子中，具備APR功能的系統，其功耗在5000萬數據包每秒的負載下可以降低到200W，達到4μJ／P的等級。相反地，如果系統沒有APR，它在相同吞吐量下的性能等級便只有8μJ／P。

設計人員的觀點

因此，如果您拿這些指標去比較系統，便可以決定哪一個系統的效率更高。那么，現在剩下來的問題是這些指標對系統設計人員有何意義或啟發?如果工程人員的任務是在改善系統性能的同時降低功耗，他們便需要先了解所選組件的性能／能源度量特性。

美國國家半導體為其PowerWise品牌產品制定了一些能源／性能指標，這些指標可識別哪一個產品在指定能耗下的性能是最高的。設計人員可以選擇那些在指定能耗下表現最佳的組件，抑或可以選擇在指定性能級別下能耗最低的組件。

此外，設計人員也應該開始考慮為系統體系結構添加自適性功能以降低功耗。毫無疑問，即使在滿負載的情況下，系統仍很少會用盡所有功率，就像汽車不會全程都以250公里時速全速去行駛。在大多數的情況下，系統會按需要不斷在較低性能水平與較高性能水平之間循環。假如設備能夠通過負載轉移、卸除來使用的部分、調節時鐘頻率或其它的方法去達到較低的功率，系統便可節省更多功率。