高能效信息技术的未来——超越摩尔定律

       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。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。

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：选择运行关键任务和优化运行，或是关闭以节省电力。

Mark Papermaster

AMD高级副总裁兼首席技术官

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，很少有人会想到究竟是什么样的IT基础设施，才能做到将所有的信息都置于我们掌上。而考虑运行这种基础设施所需能源的人，更是少之又少。 我们大多数人关于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。

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，抑或是评价餐厅，我们与互联网的联系从未如此紧密，而未来的发展没有终点。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（Surround Computing）”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Jonathan Koomey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。” 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（Gordon Moore）发现的指数改善趋势 — — 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“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的设计，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“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 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 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。

而且，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。

关于AMD

AMD是全球唯一一家设计x86/ARM微处理器和显卡的公司，为包括个人电脑、平板电脑、游戏主机和云服务器等在内的数千万的智能设备提供强大动力，开启环绕计算的新时代。

Mark Papermaster个人介绍

Mark Papermaster是AMD高级副总裁兼首席技术官，负责AMD工程、研发以及整个产品研发部门的工作。Papermaster在工程设计领域拥有超过30年的工作经验，曾担任包括低功耗手持设备及高性能刀片式服务器在内的各类产品的研发管理类职位。

在2011年10月加入AMD之前，Papermaster曾任思科公司硅工程业务副总裁，负责带领团队制定思科硅战略和架构，以及从事交换和路由业务相关的开发工作。

在加盟思科之前，他还曾担任苹果设备硬件工程部副总裁，负责iPod和iPhone的硬件开发。此外，他还曾在IBM出任多个高管职位，任职于公司的技术领导团队并负责监督微处理器和刀片式服务器核心技术的开发工作。

Papermaster拥有奥斯汀德克萨斯州大学电机工程学士学位，以及佛蒙特大学电机工程硕士学位。他目前是德克萨斯州大学科克雷尔工程学院咨询委员会成员以及青少年糖尿病研究基金会IT咨询委员会委员。