Лекция 7 Энергосберегающие технологии, используемые в компьютерах

В 2008 г. число используемых во всем мире ПК превысило 1 миллиард и по прогнозам специалистов к 2014 г. это число удвоится. Они ежегодно потребляют электроэнергии на многие млрд долларов. Чтобы произвести всё это электричество, требуется выбросить в атмосферу сотни млн тонн углекислого газа. Как известно, многие миллиарды долларов в год пропадают в пустую из-за потерь электроэнергии за счет неэффективных источников питания личных и домашних электронных приборов, многие из которых продолжают использовать энергию даже тогда, когда они выключены, но не отсоединены от сети: «вокруг нас находятся настоящие электронные вампиры, которые высасывают электричество день и ночь». Ещё в 2007 г. в США 60 % компьютеров оставлялись включенными на ночь. Если корпоративная Америка насчитывала на это время около 100 млн компьютеров, значит 60 млн из них оставались включенными, это приводило к потерям около $2 млрд за год.

Согласно отчёту Минэкономразвития России, суммарный дефицит энергетических мощностей в России в 2010 году составил 14 ГВт, а стоимость электроэнергии в ближайшее десятилетие будет только расти. Этот факт наряду с глобальным экономическим кризисом заставляет производителей в сфере ИТ пересматривать один из пунктов эффективности ведения бизнеса – его энергоемкость.

«… энергоемкость экономики России в 2,3 раза выше, чем в среднем в мире. Около 40 – 45 % текущего объёма потребления энергии – это потенциал энергосбережения в нашей стране» (из выступления В.В. Путина на совещании).

Из-за удорожания электроэнергии и ужесточения экологических стандартов на энергетическое и радиационное загрязнение среды на самых емких рынках развитых стран, сегодня все производители переходят на технологии уменьшения потребления электроэнергии в ПК и периферии, особенно в моменты простоя и ожидания. Это касается и мониторов и принтеров и всяческой другой бытовой техники.

Уровень энергопотребления становится важным фактором при покупке аппаратуры. Все большее число потребителей приобретает продукцию, совместимую со стандартом Energy Star.

В 2007 году компании Intel и Google вместе с фондом WWF дали старт инициативе Climate Savers Computing (CSCI), объединяющей отдельных пользователей, компании и экологические организации, которых беспокоят проблемы охраны окружающей среды. Эта инициатива направлена на стимулирование разработки, развёртывание и внедрение интеллектуальных технологий, способных повысить не только эффективность энергосбережения компьютера, но и сократить его энергопотребление в неактивном состоянии.

Целью данной инициативы является увеличение эффективности использования энергии компьютером на 50 %, что будет означать общее снижение расходов, связанных с приобретением энергоносителей, ориентировочно на 5,5 млрд. долларов США.

На протяжении многих лет корпорация Intel является лидером полупроводниковой отрасли по инновациям и производительности, что проявляется не только в разработке новых технологий, но и в решении сложных глобальных экологических проблем.

Эффективность использования энергии и экономия ресурсов становятся первоочередными задачами в борьбе с изменениями климата. Корпорация Intel концентрирует свои усилия для достижения лидерства по целому ряду направлений.

Эффективность использования энергии стала ключевым приоритетом при проектировании передовых процессоров и вычислительных платформ. Инновационные технологии Intel активно применяются в решениях, обеспечивающих эффективное энергопотребление и безопасную производственную деятельность, а также сотрудничество, направленное на защиту окружающей среды.

За 30 лет количество энергии, потребляемой в расчёте на один транзистор, снизилось почти в миллион раз.

Переход от одноядерных к многоядерным технологиям полностью изменил привычный стиль работы компьютеров и обеспечил высокую энергосберегающую производительность всех платформ Intel.

Выдающимся достижением Intel явилась 45-нм производственная технология с применением диэлектрика на основе гафния с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости – nigh-k, а также металлического затвора транзистора, что обеспечило эффективное энергопотребление по сравнению с технологиям предыдущих поколений (30%-ное снижение затрат энергии на переключение транзистора).

Процессоры с микроархитектурой Sandy Bridge и 22-нм техпроцессом построены на транзисторах с трехмерной структурой затвора (Tri Gate), что позволяет уменьшить энергопотребление до 50 %.

Intel Speed Step – это энергосберегающая технология Intel, в основе которой лежит динамическое изменение частоты и энергопотребления процессора в зависимости от используемого источника питания. Впервые была использована в процессорах mobile Pentium III.

По этой технологии процессоры могут автоматически уменьшать частоту и напряжение питания при простое или малой нагрузке, снижая, таким образом, своё энергопотребление. Как только нагрузка возрастает, частота и напряжение автоматически поднимаются до своих нормальных значений.

Intel Halt State – энергосберегающая технология, в результате которой отключаются некоторые блоки процессора во время их бездействия.

Управление питанием и технология Turbo Boost в процессорах с микроархитектурой Sandy Bridge осуществляется с помощью блока управления питанием PCU (Power Control Unit), входящего в состав системного агента. Этот блок представляет собой программируемый микроконтроллер, который собирает информацию о температуре и потребляемом токе различных узлов процессора и имеет возможность интерактивно управлять их частотой и напряжением питания. Силами PCU реализуются как энергосберегающие функции, так и турбо-режим, который в Sandy Bridge получил дальнейшее развитие.

Все функциональные модули, составляющие процессоры Sandy Bridge, разделены в нём на три домена, использующие независимые схемы тактования частоты и подключения питания. Первый и основной домен объединяет процессорные ядра и L3 кэш, которые работают на единой частоте и напряжении. Второй домен – это графическое ядро, которое использует собственную частоту. Третий домен – это системный агент.

Такое разделение позволило инженерам реализовать работу технологий Enhanced Intel Speed Step и Turbo Boost одновременно и независимо для графического и процессорных ядер. Подобный подход уже был применен в мобильных процессорах Arrandale, однако там он работал по-простому, через драйвер. В Sandy Bridge уже реализовано полностью аппаратное решение, которое управляет частотами вычислительных и графических ядер взаимосвязано, учитывая их текущее потребление. Это позволяет получить более серьёзный реализуемый через турбо-режим разгон процессорных ядер во время простоя графического ядра и наоборот – существенный разгон графического ядра во время неполной загрузки вычислительных ядер. Агрессивность турбо-режима в Sandy Bridge нетрудно оценить потому, что частота процессора может увеличиваться на четыре шага относительно номинальной частоты, а вариация в частоте графического ядра может достигать и шести-семи шагов.

Однако это далеко не все нововведения в технологии Turbo Boost. Преимущество её новой реализации заключается ещё и в том, что PCU получил возможность управлять частотами более интеллектуально ориентируясь на реальные температуры процессорных составляющих, а не только на их энергопотребление. Это означает, что в тех случаях, когда процессор работает в благоприятных температурных условиях, его энергопотреблению разрешается выходить за границу, задаваемую TDP (термопакет). Термопакет – это величина, показывающая на отвод какой тепловой мощности должна быть рассчитана система охлаждения процессора.

При типичной повседневной работе процессорная нагрузка носит скачкообразный характер. Большинство времени процессор проводит в энергосберегающих состояниях, а высокая производительность требуется лишь в небольшие промежутки времени. За такие промежутки нагрев процессора не успевает достигнуть сколь-нибудь серьёзных величин – сказывается инерционность, обеспечиваемая теплопроводностью кулера. Управляющий частотами в Sandy Bridge блок PCU справедливо считает, что ничего страшного не произойдёт, если в такие моменты процессор будет разогнан сильнее, чем в теории может позволить величина расчётного тепловыделения. Когда же температура процессора начнёт приближаться к критическим значениям, частота будет снижена до безопасных значений. Максимальная продолжительность работы в состоянии «за гранью TDP» аппаратно ограничена 25 секундами.

Сегодня в США и в Европе широко пропагандируется способ энергосбережения, называемый ecobutton и представляющий собой большую круглую зелёную кнопку, нажатие которой переводит компьютер в режим энергосбережения (hibernating). Все последние версии Windows имеют энергосберегающие функции и умеют мгновенно «усыплять» и «будить» компьютер.

Другое дело – что большая зелёная кнопка заметней, а её создатели рекомендуют нажимать на неё, даже уходя на короткий перекур.

Энергосберегающие функции сетевого фильтра Green Power MDP 900 от Monster Cable позволяют экономить существенное количество энергии, когда подключенные приборы уходят в режим standby. Наиболее полезно это устройство в сочетании с настольным компьютером. Когда компьютер переключается в спящий режим, MDP 900 автоматически отключает от сети все периферийные устройства, такие как принтер или монитор, а когда компьютер выходит из спящего режима, подключая их обратно.

Мощная современная видеокарта под полной нагрузкой требует столько же энергии, сколько остальные комплектующие ПК вместе взятые: от 110 до 270 Вт. Поэтому производители приступили к выпуску интеллектуальных видеокарт с управлением потребления электроэнергии в зависимости от нагрузки.