高能效信息技術的未來超越摩爾定律

在微處理器發展的前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下比運行時更節能，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鍵，就是關閉所有非必要系統來節省能源。并且只有在系統工作所需的精確時間內才將其開啟。現代微處理器和片上系統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。現代硅芯片的準則是快速運行，然后關閉。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：選擇運行關鍵任務和優化運行，或是關閉以節省電力。信息技術（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，大多數人關于IT能效最關注的一點，就是希望電池能夠支撐一整天的使用。

智能手機風暴席卷全球始自2007年iPhone的推出。開發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，如谷歌眼鏡、智能手表和各式各樣的健身或健康監測設備 它們無不希望在市場上爭奪一席之地。而所有這一切的發生正是始于超級互聯的“物聯網”，大量設備或電器將與互聯網連接，“環繞計算（ SurroundComputing）”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境有關的信息。環繞計算真可謂是一個物聯網的“超集合”，因為它同樣描述了我們將如何自然地與技術進行互動，以及技術將如何以各種新穎、令人激動的方式給我們帶來更多的可能性。但與此同時，關于如何解答向不斷增長的基礎架構供能這一重要命題，也不斷地被提及。IT能耗巨大且持續增長

根據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，來自于互聯網、智能手機和萬物聯網用量的爆發式增長，也會使這一數字不斷激增。”同樣，據美國能源署預計，“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%。”

能效和IT

但好消息是，正如JonathanKoomey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，計算機性能實現了大幅穩步增長，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這一趨勢，從而引發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“據觀察，執行一項需要固定計算次數的任務，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（GordonMoore）發現的指數改善趨勢——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裝入更多的晶體管時，電流在設備中經過的距離就會縮短，傳輸的速度也會變快，從而減少了執行特定單元的計算所需的電量。

但是在過去十年，曾經幾近穩定的能效增長其實已經放緩，現在則大大落后于摩爾定律的預測。現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lT的未來

未來，IT行業的能效預計將繼續提高，但增長方式將發生很大變化。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合的手段來實現這一目標。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：如果現在您開的是100馬力的車，每加侖汽油可跑30英里，6年內其性能提升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，該產品線剛剛實現了能效的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，多數收益將不再依賴于縮小單晶硅制程尺寸的傳統方法，抑或是業內人士所說的“央速到達下一個制程節點”。

我們通過處理器架構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投入使用。而且，在2014年至2020年期間，通過實現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%。

以下是關鍵設計創新中的幾項，將有助于推動AMD高能效IT在未來的發展：

異構計算和功耗優化：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，從而實現節能。AMD通過APU使計算工作負載在CPU和GPU之間無縫轉移，效率得到優化，從而節省更多能源。作為異構系統架構的一部分，這一做法正在被業內廣泛采用。

智能動態功耗管理：可能會更名為“夾速待機”，因為這一創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來取得能效上的優勢。

未來的能效設計創新：未來，幀間功率門控、多域自適應電壓、電壓島、系統組件深度集成，以及其它正在研發階段的技術，將使能效更加快速地提升。

AMD公司已實現“雙架構”產品的供應，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

在生死攸關的時刻，勇敢的阿波羅13號宇航員們竭盡所能節省電力。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，聯網設備的數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，節能技術是必不可少的。

作為將畢生精力投入到高科技行業的一分子，我為我們在節約能源方面取得的成果，以及這些技術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新甚至讓我更加興奮。