張健浪

開發(fā)節(jié)能型產(chǎn)品已成為人類社會的共識，無論是摩天大樓、汽車、家用電器都朝著節(jié)能的方向前進，作為能源消耗大戶的計算機當(dāng)然也躋身此列。我們?nèi)粘Ｋ幍腎T環(huán)境由掌上數(shù)字設(shè)備，PC／筆記本電腦、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備共同構(gòu)成，除了低耗能的掌上數(shù)字設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備外，其它的幾種設(shè)備均是能耗大戶，在擁有密集計算環(huán)境的領(lǐng)域，電費支出往往相當(dāng)可觀，這也使得相關(guān)企業(yè)越來越重視對節(jié)能技術(shù)的開發(fā)。

技術(shù)基礎(chǔ)：節(jié)能要從何入手

對PC設(shè)備來說，能耗最大的主要有四大部件：其是處理器，目前高端PC上用的四核處理器功耗水準(zhǔn)普遍在120瓦以上，耗電量頗為可觀，其二是圖形系統(tǒng)，該領(lǐng)域的激烈競爭迫使NVIDIA-AMD都競相朝著高效能方向挺進，但也導(dǎo)致了顯卡功耗從最初的肘瓦飆升到現(xiàn)在的200-300瓦耗電量極為驚人，第三個耗電的部件就是顯示器，盡管LCD要比過去的CRT節(jié)能得多，但是大尺寸的LCD耗電普遍也在幾十瓦級別，至于大屏幕平板電視，能耗普遍都在300瓦以上，顯然這些設(shè)備是家庭中的耗電大戶，第四個能耗高的對象就是存儲系統(tǒng)，PC、筆記本電腦的硬盤僅消耗區(qū)區(qū)幾瓦的電能，但服務(wù)器和企業(yè)存儲系統(tǒng)中往往包含數(shù)量巨大的SAS硬盤，整體的能耗也頗為可觀。

要降低計算系統(tǒng)的整體能耗，最直觀的做法就是降低芯片的功耗指標(biāo)，半導(dǎo)體廠商除了積極通過導(dǎo)人新工藝來降低能耗外，優(yōu)化芯片的設(shè)計提高能效比以及發(fā)展節(jié)能技術(shù)也都是非常有效的途徑。最終實現(xiàn)能源的按需分配。而從宏觀的角度來看，將任務(wù)指派給能源效率最高的硬件是聰明的做法，從而實現(xiàn)整個系統(tǒng)的能源利用最佳化，其中的典型例子就是將高并行計算任務(wù)交給GPU完成。如果從更長遠(yuǎn)的角度來看，云計算的普及可以讓用戶使用低能耗的瘦終端，從而有效降低整個IT環(huán)境的能源總消耗。而服務(wù)器本身則可以采取彈性的任務(wù)分派和靈活的能源配比來實現(xiàn)節(jié)能的目標(biāo)。

微處理器的節(jié)能：制造工藝、邏輯優(yōu)化與創(chuàng)新設(shè)計

處理器是PC系統(tǒng)耗能的關(guān)鍵部件，在總的方向上，提升效能與降低功耗永遠(yuǎn)都是一對矛盾，但是設(shè)計者仍有相當(dāng)多的手段可以優(yōu)化能源效率，使得性能的提升大于功耗的增長，這些措施橫貫半導(dǎo)體工藝到芯片的架構(gòu)設(shè)計等訐多方向。

引入新工藝是降低芯片功耗最直接的辦法，無論從90納米到65納米，還是65納米到45納米，每一次制造工藝的提升，總是令芯片功耗大幅度降低——在同等情況下，芯片能耗往往可以有20％－30％的可觀降幅。新工藝使得芯片內(nèi)的連接線寬更小，諸如High-K材料，SOI工藝等新技術(shù)的導(dǎo)入又大大削減了漏電流的產(chǎn)生，使得芯片的能耗值顯著降低?，F(xiàn)在，半導(dǎo)體工業(yè)開始朝著32納米進軍，英特爾公司將在2009年底推出32納米處理器，標(biāo)志著新一代工藝的成熟。臺積電等代工企業(yè)也朝著40納米進軍，而IBM甚至開始向22納米工藝邁進。

通過改革芯片的邏輯架構(gòu)，實現(xiàn)能效的提升，這也是降低能耗的有效手段。這個領(lǐng)域的典型案例當(dāng)屬英特爾從Pentium 4到Core架構(gòu)的改變，前者以能效低著稱，芯片功耗巨大，同時效能不盡理想，而Core架構(gòu)通過4路并行解碼，宏指令融合與微指令融合等技術(shù)，大幅度提升了芯片的每瓦性能，最終在獲得性能大幅度提升的同時，顯著降低了處理器的功耗水準(zhǔn)。類似的例子還有當(dāng)年AMD從K7到K8的轉(zhuǎn)換。K8架構(gòu)將內(nèi)存控制器集成，降低了內(nèi)存延遲，借此處理器可獲得20％左右的性能提升，而芯片的功耗并沒有因此提升。

這樣的節(jié)能思路在未來顯然將會繼續(xù)進行，作為一種先進的設(shè)計思想，協(xié)處理單元的納入、構(gòu)建超多核處理器已成為微處理器工業(yè)界的新趨勢。所謂超多核處理器，即在當(dāng)前雙核，四核處理器的基礎(chǔ)上，集成大量的協(xié)處理單元，這些協(xié)處理單元可以負(fù)責(zé)Java程序解釋、物理計算、Flash硬件加速等，專用的協(xié)處理單元效率更高，在完成同樣任務(wù)時消耗的能源更少，而主CPU單元只需負(fù)責(zé)任務(wù)的指派，通過這種主從協(xié)作模式，可以在顯著提升效能的情況下同時實現(xiàn)能耗的降低。

能源的按需分配是處理器節(jié)能的另一個思路，事實上當(dāng)前的移動處理器已經(jīng)充分具有按需分配能源的風(fēng)采了，以AMD Puma平臺為例，其雙核Turion 64 x2處理器的內(nèi)存控制器、高速緩存與CPU內(nèi)核的供電分離，系統(tǒng)可以根據(jù)任務(wù)的需要來靈活決定能源的供應(yīng)與否；同樣，英特爾的移動處理器也引人類似技術(shù)——早在Pentium M時代，處理器的高速緩存就采用能源配比制度，即通常只有1／32的二級緩存處于供電狀態(tài)，由于高速緩存一貫都是處理器的能耗大戶，此項技術(shù)為Pentium M的能耗降低立下汗馬功能。按需分配的另一個角度就是，根據(jù)任務(wù)需要來調(diào)整處理器的電壓和頻率，大家耳熟能詳?shù)挠⑻貭朣peedStep技術(shù)，AMD PowerNow!便屬此列。按需分配的思想未來將更為普遍，尤其是伴隨著多核，超多核處理器流行，能源按需分配被認(rèn)為是降低能耗的法寶。比如在處理簡單的商務(wù)辦公應(yīng)用時，CPU只需開一個核心，并降低頻率運作，如果需要完成多任務(wù)，或多線程程序，那么其它核心才被自動開啟，這種按需運行的模式能夠?qū)崿F(xiàn)能源配置的最佳化。

圖形系統(tǒng)的節(jié)能：按任務(wù)彈性分配

圖形系統(tǒng)與微處理器系統(tǒng)非常相似，GPU是圖形系統(tǒng)的核心，高性能GPU則是電力資源的殺手。而除了GPU之外，圖形系統(tǒng)中的高速顯存同樣也是能源殺手。既然如此，節(jié)能技術(shù)就必須同時從GPU與顯存系統(tǒng)著眼。

與處理器類似，導(dǎo)入新工藝是降低GPU和顯存能耗的法寶，不過GPU與顯存的邏輯結(jié)構(gòu)都比較固定，能效改進的結(jié)構(gòu)相當(dāng)有限，所以無論NVIDIA還是AMD，都很難通過革新設(shè)計獲得能源效率的提升，雙方的性能競賽更像是場流處理器數(shù)量的堆砌，在這樣的背景下，GPU能耗高是必然的，即便引入新的工藝，激烈市場競爭又會使得雙方推出能耗高的新一代產(chǎn)品。

導(dǎo)入能源按需指派是非常理想的做法，事實上這也是圖形工業(yè)一直努力的方向所在。我們知道，GPU內(nèi)部除了負(fù)責(zé)3D渲染和通用計算的流處理器單元外，還具有2D顯示高清視頻引擎等不同的邏輯單元，假如用戶只是在處理辦公文檔，那么顯卡其實只要求提供2D顯示和能滿足操作系統(tǒng)3D視覺的簡單3D性能，此時GPU中的大多數(shù)流處理器都可以關(guān)閉，只需留下個位數(shù)的流處理單元和2D顯示單元即可。當(dāng)然顯存系統(tǒng)的大部分供電也可以被關(guān)閉，假如用戶在觀賞視頻，那么同樣地，不需要使用的硬件單元可以暫時關(guān)閉。從技術(shù)上講，這樣的設(shè)計完全是可以實現(xiàn)的，NVIDIA在GPU中采用的PowerMizer技術(shù)，AMD的PowerPlay技術(shù)，都可以在一定程度上做到這點。

混合多顯卡模式的出現(xiàn)，也能夠有效降低整機的能耗。NVIDIA的Hybrid SLI技術(shù)體系中曾經(jīng)支持項名為Hybrid

Power的節(jié)能技術(shù)，即當(dāng)用戶在從事一些非3D的常規(guī)任務(wù)時，獨立顯卡可以被關(guān)閉、系統(tǒng)只依靠芯片組集成的GPU來完成顯示——由于集成GPU能耗要大大低于獨立顯卡，此舉可以顯著降低整機的能耗。不過，NVIDIA現(xiàn)在已經(jīng)在桌面顯卡中取消了這技術(shù)，對此NVIDIA解釋說其獨立顯卡目前已能支持高效的節(jié)能技術(shù)，在常規(guī)任務(wù)下顯卡的能耗可以同集成GPU相差無幾，Hybrid Power就失去了價值。這一聲明的背后源自NVIDIA的另一舉措在2008年8月份，NVIDIA以2500萬美金的代價獲得全美達(dá)LongRun、LongRun2節(jié)能技術(shù)的授權(quán)，前者可以根據(jù)任務(wù)對芯片的頻率／電壓實施近乎動態(tài)的調(diào)整，后者則可以將芯片內(nèi)部的漏電流削減到原先的1／70，相信這兩項技術(shù)已逐漸融入NVIDIA的新一代產(chǎn)品中，使之能夠獲得理想的節(jié)能表現(xiàn)。假如NVIDIA能夠在移動GPU中也快速導(dǎo)入這些技術(shù)的話，那么有望改變長久以來移動GPU能耗一直高于AMD的情況。

宏觀角度的節(jié)能：將任務(wù)分配給能效最高的部件

如果將注意力放在處理器、GPU局部，固然可以實現(xiàn)能源效率的提高，但未必能夠做到能源利用的最佳化。我們知道，CPU適合處理帶分支預(yù)測的轉(zhuǎn)向程序，而GPU適合3D渲染和高并行，不帶分支的計算程序，假如讓CPU來渲染3D圖形，那么后果可想而知，在提供與GPU相同渲染性能的條件下，CPU所耗費的能源也許是GPU的100倍以上；這個例子告訴我們?nèi)魏我豁椨嬎闳蝿?wù)，應(yīng)該交給最適合處理該任務(wù)的計算芯片，這樣才能夠?qū)崿F(xiàn)能源利用的最佳化。

但在現(xiàn)實應(yīng)用中，違背此種情況的例子隨處可見，比如氣象模擬DNA排序之類的科學(xué)計算都涉及到大量的復(fù)雜浮點運算，通常需要大型計算機方可勝任，而大型計算機中負(fù)責(zé)運算的則是微處理器。事實上，如果采用GPU來處理這些任務(wù)，那么效率會高出10倍以上，這意味著系統(tǒng)只要消耗少得多的能源，就能夠完成同樣的任務(wù)。在這個領(lǐng)域，NVIDIA目前同樣居于領(lǐng)先地位，它所推出的CUDA平臺在通用計算領(lǐng)域占據(jù)事實上的壟斷，借助CUDA，開發(fā)者可以編寫出GPU加速的計算程序，從而實現(xiàn)能源效率的大幅提升。

值得一提的是，通用計算同樣可以用于普通的PC用戶比如說現(xiàn)在的圖像處理、Flash播放都是依靠CPU進行的，在執(zhí)行這類任務(wù)時，CPU占用率正常都在100％，假如能夠支持GPU加速，那么任務(wù)可以完成得又快又好，所耗費的能源也要低得多。

隨著GPu通用計算的不斷成熟，GPU會承擔(dān)越來越多的浮點計算任務(wù)，包括物理計算、光線追蹤、圖像處理，3D桌面，F(xiàn)lash播放，PDF閱覽等許多應(yīng)用領(lǐng)域。

存儲系統(tǒng)的節(jié)能：使用綠色產(chǎn)品

硬盤本身已經(jīng)是一個功耗很低的部件，繼續(xù)在硬盤身上挖掘剩余能源顯然是不現(xiàn)實的，因為目前硬盤工業(yè)最緊要的問題是提升性能而非降低功耗。不過事事無絕對，隨著應(yīng)用的個性化，硬盤產(chǎn)品也出現(xiàn)包括發(fā)燒性能、節(jié)能這樣的產(chǎn)品細(xì)分。

西部數(shù)據(jù)的GreenPower綠盤是節(jié)能硬盤的典范，這類節(jié)能型硬盤通常只有5400rpm的速度，而且在沒有尋道，讀寫動作時可以處于休眠狀態(tài)，因此它的讀寫性能要比常規(guī)硬盤慢一些，好處就是功耗只有常規(guī)硬盤的60％左右，每個硬盤平均可節(jié)省4-5瓦電能——對PC而言，區(qū)區(qū)4～5瓦功耗算不了什么，但對擁有成百上千個硬盤的數(shù)據(jù)倉庫來說，所節(jié)約的能源就非常可觀。因此對大型企業(yè)，數(shù)據(jù)中心等單位來說，改用節(jié)能型硬盤是降低運營成本的有效舉措。

另一項節(jié)能措施就是根據(jù)情況，及早更換新款、大容量的硬盤。硬盤的能耗主要取決于電機系統(tǒng)，而與容量沒有多大關(guān)系，一個1TB的硬盤，消耗的能源甚至可以比一個100GB硬盤還要低，那么用一個1TB硬盤來代替10個100GB硬盤，間接起到的效果就是將能耗值降低整整90％。因此對數(shù)據(jù)中心來說，雖然更換硬盤需耗費一定的成本，但從綜合角度來看也許仍然劃算。

LED助力顯示系統(tǒng)的節(jié)能

LCD顯示產(chǎn)品的功耗主要來自于背光系統(tǒng)，比如22英寸產(chǎn)品一般用2根CCFL燈管，24英寸以上就要使用4根，至于大尺寸液晶電視一般都具有8根燈管以上，否則無法滿足符合要求的亮度輸出。改用LED背光技術(shù)為LCD產(chǎn)品打開了節(jié)能的窗LED是一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，屬于片狀光源，早期LED器件發(fā)光效率只有30im／w(流明佤)左右，而CCFL發(fā)光效率基本都在601m／W(流明/瓦)級別，在提供同樣亮度時LED背光耗費的電能要比cCFL燈管高一倍。但在日亞(Nichia)為首的工業(yè)界的努力下，LED器件的光效逐年快速提高，目前商品化LED的光效普遍超過1501m／W，節(jié)能特性已全面優(yōu)于CCFL。

片狀光源的性質(zhì)讓LED光源在配置上有更高的靈活性，從而為進一步節(jié)能打下基礎(chǔ)——夏普在自己的液晶電視產(chǎn)品中引入了一種區(qū)域點亮(Local Dimming)技術(shù)，該技術(shù)采用直下型LED背照燈，1個畫面被分割成多個區(qū)域，根據(jù)每個圖像顯示區(qū)域的亮度對LED進行點亮。夏普表示，該技術(shù)可以將液晶電視的即時耗電量減至原來的1／3，年耗電量減少一半，節(jié)能效果非常顯著。

OLED顯示器被視作LCD的接替者，從原理上講，OLED構(gòu)件更為簡單，它就相當(dāng)于一個可以在像素級別進行控制的LED器件，無需像LCD那樣需經(jīng)過液晶板的遮擋，輸出的亮度直接抵達(dá)人眼。這種簡單的結(jié)構(gòu)賦予OLED出色的低能耗特性。只是受限于壽命問題，OLED產(chǎn)品預(yù)計在2012年前都很難進人實質(zhì)性的商用化階段，盡管如此，業(yè)界對這項革命性技術(shù)仍然高度期待。

云計算降低IT環(huán)境的整體能耗

無論是IBM，SUN還是Google，都將云計算視作計算工業(yè)的未來形態(tài)，IBM側(cè)重于構(gòu)建云計算的基礎(chǔ)環(huán)境，SUN則實質(zhì)性地推出硬件產(chǎn)品，而Google卻推行著Gmail，Google Apps在內(nèi)的多種云服務(wù)。假如云計算模式能夠成為主導(dǎo)，計算能力變?yōu)橄袼?、電一樣的基礎(chǔ)資源，那么整個社會的IT環(huán)境耗電開支將會大大下降——盡管云計算需要大量強有力的服務(wù)器作為后端，但用戶的終端設(shè)備可以實現(xiàn)“瘦身”和“低能耗”化，比如像智能手機這種級別的硬件就能夠通過云計算平臺暢玩大型3D游戲，高性能，高耗電，結(jié)構(gòu)臃腫的PC機不再必要，由此可以節(jié)約出大量的能源。

從能效比的角度來看，云計算模式優(yōu)于傳統(tǒng)的Pc應(yīng)用，因為在云計算體系中，PC的能源浪費實際上被徹底杜絕，而服務(wù)器本身可以根據(jù)負(fù)載的需要進行部署，這意味著每一份電力都可以物盡其用，不會在閑置中白白浪費。

服務(wù)器的節(jié)能：低能耗平臺、嚴(yán)密的監(jiān)控與專用途設(shè)計

大型數(shù)據(jù)中心每個月動輒需要花費數(shù)百萬的電費開支，如果能夠降低服務(wù)器的能耗，就意味著企業(yè)能夠出現(xiàn)可觀

的“額外利潤”，正因為如此，企業(yè)用戶對服務(wù)器的要求不再僅僅只是性能，低能耗的產(chǎn)品更受歡迎。

對擁有許多服務(wù)器的數(shù)據(jù)中心來說，如何從整體上保證能源使用的最佳化就成為個難題。在這個領(lǐng)域，IBM公司推出的EnergyScaIe技術(shù)堪稱典范，該技術(shù)應(yīng)用于IBM Power 6服務(wù)器系統(tǒng)中，它可以不停地收集服務(wù)器的功耗數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)顯示在IBM的“Systems Director Active Enemv Manager”功耗管理軟件中。通過這些數(shù)據(jù)，管理員可以預(yù)測一天一周或個月內(nèi)數(shù)據(jù)中心的電能消耗情況，并對負(fù)載進行管理調(diào)控。假如所使用的服務(wù)器系統(tǒng)支持power capping功能的話，管理員還可以直接設(shè)定一個合適的最高功耗水平、強迫服務(wù)器的整體功耗不超過這一設(shè)定值。此外，IBM服務(wù)器還支持Power Saver Mode省電模式，該模式允許管理員將CPU電壓和頻率下調(diào)一個固定的百分比，借此達(dá)到節(jié)能的目的。Power Saver Mode在實際應(yīng)用中可以發(fā)揮不俗的效用，它可以將服務(wù)器平均功耗降低20％-30％之多。另外IBMPower 6處理器使用了一種名為“Nap”的低功耗模式，可以在無任務(wù)狀態(tài)下停止處理器的執(zhí)行，以此來降低功耗。假如操作系統(tǒng)處于空閑狀態(tài)，Nap可以將整體能耗降低30％-35％而當(dāng)操作系統(tǒng)繁忙時，Nap也可以實現(xiàn)10％的功耗降低。最后，Power 6也支持類似speedStep的節(jié)能技術(shù)，它可以動態(tài)地調(diào)整處理器的頻率和電壓，從而有效降低運作功耗。

服務(wù)器節(jié)能的另一個方向就是采用專用途的芯片，該領(lǐng)域的成功案例就是SUN的UltraSPARC T2(代號Niagara 2)平臺，UltraSPARC T2擁有8個內(nèi)核和64個線程，它的浮點運算功能非常弱小+而重點強調(diào)多線程的事務(wù)處理能力，因此雖然擁有8內(nèi)核，但處理器的能耗也不到95瓦。UItraSPARC T2的每個線程都可以獨立運行一個操作系統(tǒng)，因此理論上一枚UltraSPARC T2處理器可以最多支持64個系統(tǒng)并行，在Web服務(wù)器，郵件服務(wù)器，文件服務(wù)器在內(nèi)的事務(wù)處理任務(wù)中，UltraSPARC T2的每瓦性能達(dá)到英特爾Xeon平臺的2.5倍，它也因此成為事務(wù)處理能效最高的服務(wù)器處理器。

專用化思想也蔓延到大型計算系統(tǒng)的構(gòu)建，譬如在以浮點計算為主的集群系統(tǒng)中，GPU cell之類的協(xié)處理器被大量部署，這種設(shè)計比傳統(tǒng)的單純依靠處理器的模式更為科學(xué)。假如任務(wù)足夠單一，那么硬件系統(tǒng)可以更為專業(yè)化在很多時候，CPU反而可以成為配角，而依靠高效率的協(xié)處理器進行運算。與通用設(shè)計相比，這種專用設(shè)計雖然任務(wù)彈性很低，但在完成單一任務(wù)時可提供相當(dāng)優(yōu)秀的能源效率。

前瞻

以按需分配思想取代現(xiàn)有的粗放式設(shè)計，以云計算代替?zhèn)鹘y(tǒng)的強PC模式，以專用設(shè)計取代通用設(shè)計，這三個思路將成為未來IT工業(yè)節(jié)能設(shè)計的主要方向。我們可以確信，未來的IT技術(shù)將對人類產(chǎn)生更為重要的影響，現(xiàn)有的商務(wù)交流，娛樂、消費等活動將對IT環(huán)境越來越依賴，IT設(shè)備也將無處不在；而通過企業(yè)，開發(fā)者與用戶的共同努力，我們將能看到，IT設(shè)備的能源消耗處于一種良性的范圍內(nèi)，在保持現(xiàn)有能耗的條件下，我們能夠體驗到更多精彩的應(yīng)用——譬如電影級的超逼真3D渲染無處不在的虛擬現(xiàn)實，高保真的遠(yuǎn)程3D交互，當(dāng)然還有更貼心的電子商務(wù)。