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控制技術/MCU  

可提高單位功率性能的設計方案

上網時間: 2007年12月25日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:處理器  能耗  功率管理 

過去四分之一個世紀以來,伺服器、桌上型電腦、筆記型電腦和手持運算設備在性能和功能方面都有了巨大進展。用戶總是不斷期望自己的運算設備工作速度更快,功能性更強,價格更低。在此同時,全球能源成本也不斷上漲,製造商必須在提高產品性能的同時確保能耗不會成長太多,這意味著技術上的挑戰越來越艱鉅。這一問題不但與關注營運成本的工業用戶息息相關,對關注能源產生和能源消耗對環境影響的消費者而言也同樣重要。

要提供能效更高的產品,必須對電腦系統中的處理器、硬碟、電源、顯示器等各組件規劃完整的方案。近年來,這些組件在大幅提高效率方面取得了長足進展。晶片設計採用新技術,減少了泄漏電流,並可根據需要改變能耗等級;新標準開始實施,推動了電源和顯示器等關鍵平台元件效率的提升;而用於改善整體系統功率管理的新方法也獲得採納。

隨著電腦系統成為現代生活不可或缺的一部份,加上用戶對運算能力和功能性的需求不斷成長,能耗管理無疑是半導體及電腦製造商面臨的最大挑戰。

能效性能

能效方面的創新是提供更高性能產品計劃的主要部份。與過去的設計相較,這些創新性意味著在相同的佔位面積中,開發人員必須能以更低的功耗實現相同的性能等級,或是以相同的能耗獲得更高性能。包括英特爾在內的眾多企業,目前的共同目標均是實現技術上的突破,即把能耗降至現行的十分之一,或是在能耗相同的條件下大幅度提升產品性能。

新的設計,如英特爾的多核心技術,有助於確保元件增強功能性和處理能力,同時提升整體效率。在伺服器和桌上型電腦領域,利用這些技術可提高刀鋒伺服器的性能、減少其體積,並在不會顯著增加能耗的情況下降低多工環境中的執行成本,提高整體性能。

這種方案還能協助業界推出大幅強化功能,但卻不縮短電池壽命的行動設備;或是電池壽命大幅延長,但功能與當前行動裝置類似的設備。屆時我們將看到功耗可能只有目前筆記型電腦的十分之一的‘超行動’PC。對業界而言,這將帶來更大的設計靈活性,實現與眾不同的外形設計,在相同的佔位面積上降低功率成本、提高單位功率性能及更多樣化的功能。

目前,許多新型設計方法和先進技術均致力於同時提升性能和效率,這些技術不僅適用於單一元件,也適用於整體系統。其中包括提高矽晶片能效、設計更高效的元件,以及控制系統功率狀態等諸多技術。這將為伺服器、桌上型電腦和行動設備提供具有最高功效的設計。

圖1:隨著摩爾定律的演進,英特爾所推出的每一代處理器。
圖1:隨著摩爾定律的演進,英特爾所推出的每一代處理器。

提高矽晶片設計效率

1960年代,英特爾共同創辦人Gordon Moore曾預言,單位面積晶片上的電晶體數量大約每兩年增加一倍,這就是著名的摩爾定律。過去四十年多年中,晶片產業的發展應驗了這一定律。但電路尺寸的持續縮小推動了電晶體數量的急劇增加,功耗和發熱量也相應提高。有趣的是,摩爾在他的文章中曾經提及這種情況的發生,他指出:“當一顆矽晶片上包含數以萬計的元件時,還有可能消除它們所產生的熱量嗎?”

要提高晶片設計能效,關鍵在於增加流經電路的電流、降低電氣損耗,以及依需求改變功耗等級。以下將介紹這些技術的使用實例。

應變矽是一種透過在元件中感應應力來提高電晶體性能的技術。這種技術可將電流增大到5倍,而將泄漏減少到五分之一。應力可根據應用需求來調節,這將使設計人員能靈活降低特定設計功耗,或在功耗相同的情況下大幅提高性能。

英特爾的行動電壓定位和SpeedStep技術則用於實現處理器的功耗最小化。SpeedStep最初是為行動處理器開發的,可根據對處理能力的需要來動態調節頻率和電壓。透過在使用率較低的時候降低功耗,可節省高達30%的能量,也實現冷卻目的。而行動電壓定位技術可根據處理器的活動來動態調節其電壓,最終降低處理器的功耗。

而依照需求開關的則是SpeedStep技術的伺服器版本。這種自動功率管理技術已證明在標準IT環境中,可降低25%的平台功耗(圖2)。

圖2:依需求而進行開關所實現的節能效果。
圖2:依需求而進行開關所實現的節能效果。

現在,英特爾新開發的45nm製造製程採用了一種高k值金屬閘極介電材料,可將電晶體的泄漏電流減少到十分之一。

英特爾新推出的Core微架構(Core microarchitecture)在功耗管理上有許多改進。在一個多核心系統中,每一個核心使用的頻率或電壓都可能不同,可根據各自的工作負載情況最佳化其能量使用率。這種架構還包含一些獨特的機制,如能更有效地進行晶片散熱的核心跳躍功能,和用於繪圖引擎等特殊用途的固定功能核心,以進一步提高效率。

這些矽晶片設計的進展大幅降低了功耗,並在特定功率範圍(power envelope)內提供了強化處理器能力和功能性的可能性。例如,相較於傳統的低壓英特爾Pentium 4處理器,用於桌上型電腦的Core 2 Duo處理器可將單位功率性能提高到5倍。

矽晶片設計是決定系統總能耗的關鍵因素,不過還有許多平台元件也同樣消耗大量能量。

提高平台效率

雖然處理器的能力相當重要,但它自身的功耗通常僅佔桌上型電腦總功耗的極小一部份,消耗最大量功耗的往往是視訊顯示設備和電源供應器。近年來,許多研發活動的目標也都旨在降低這些關鍵元件的功耗。

顯示器的功耗可能是決定行動設備電池壽命的最重要因素之一。為了解決這一挑戰,英特爾加入了一個產業工作小組,開發出一種可將顯示器功耗降低30%以上的低功率顯示方案。這種基於英特爾技術的新型行動設備還整合了英特爾的顯示器省電技術(Display Power Savings Technology),可節省達25%的背光功率。

電源供應器也是一個重要因素,一些配備較陳舊電源、效率較低的系統,其功耗有可能達到整體系統功率的50%左右。幾年前,英特爾與美國自然資源保護委員會(NRDC)合作,修改了其電源設計指南,鼓勵採用更高效的電源。當時一個普通電源的效率約為50%,而滿足新指南的電源效率可高達約80%。

還有其他可降低關鍵組件功耗的技術。其中較重要的有雙頻繪圖技術(英特爾DFGT)和英特爾先進熱管理技術。雙頻繪圖技術可降低整合式繪圖晶片組的功率。先進熱管理技術則將數位熱感測器放置在靠近每個核心熱點的位置,以實現更精確的風扇控制,並降低風扇的能耗。此外,封裝在提高能效方面也具有重要作用。目前掌上型產品已採用多晶片封裝。這必須透過打磨晶圓背面以減薄晶圓厚度,最終將矽晶片尺寸減小90%,使晶片能在相同甚至更小的空間內提供更高性能。

圖3:一台普通電腦的能耗分析。
圖3:一台普通電腦的能耗分析。

整體系統功率管理

雖然處理器本身的功耗只佔系統總功率相當小的部份,但它可透過控制整個系統的工作狀態,在系統功率管理中扮演關鍵角色。早期提高電腦效率的工作主要致力於降低非活動狀態下的功耗。英特爾與美國環保署(EPA)合作,針對電腦系統開發出了最初的能源之星(ENERGY STAR)標準,還開發出了即時可用電腦IAPC(Instantly Available PC)技術,後者可以使系統在功耗降低至5瓦以下時進入待機狀態,但仍然可連網並在連接網路訊號時立刻被‘喚醒’。在此之前,由於無法回應網路訊號,連網系統的低功率狀態無法被客戶接受。沿著此一方向發展,隨後出現了增強型暫停狀態技術,該技術透過降低CPU的時脈速度和電壓來減少系統閒置狀態下的功率。

降低非活動狀態下的功率仍是一個大問題。電腦系統日益複雜,附加功能越來越多,這些都增加了電腦的功耗。因此,僅降低閒置模式功耗的效果開始減弱。為此,英特爾推出了主動管理技術(AMT),以進一步改進整體功率管理。AMT將把硬體和軟體資訊儲存在非揮發性記憶體中,即使在電腦關機時也允許PC和中央網路保持互動。這種技術旨在讓低功率狀態更加有用。然而,推廣這些功率管理選項功能的最大障礙,是用戶總認為這些技術無法與網路作業相容。

軟體工具對整體系統功率管理也具有重要作用。例如,企業功率和熱管理(EPTM)工具就可協助伺服器充分發揮依需求開關等內建功能,以最大化性能。網路管理員也能利用EPTM在‘從伺服器機架到資料中心’的每一等級上進行功耗管理。此外,由於該工具能實現更高程度的動態功耗自動化,因此還能減少人員成本。

英特爾的另一項伺服器管理工具Power Tools可透過功率分析和建模幫助最佳化伺服器機架。它透過實際系統配置與各品牌規格的對比分析來估算最差情況下的系統功率,確定最大功耗。利用這種工具,每一個機架能夠安裝大約多50%的電腦系統。然後,該工具可測量這些設備的實際功耗,幫助管理人員根據即時資料而非估算出的最差情況資料來最佳化機架密度。

提高企業運算系統效率

企業運算對全球經濟的影響已變得舉足輕重。資料管理和運算廣泛用於商務、通訊、娛樂及無數其他活動中。提高伺服器和資料中心的能效已迫在眉睫。有幾項關鍵方法可提高這些系統的效率,包括:

•在整個系統的工作週期上對能源需求進行管理,以實現無縫執行恢復或根據需要來分配運算需求,從而降低能耗。

•透過提高性能與採用能可靠降低系統功率,但不會削弱功能的方法來改善資料中心。在不會影響回應速度的前提下,盡可能地使系統處於最低功耗狀態,這可以減少所需的伺服器數量。

•根據活動或負載的具體情況來進行系統資源分配和控制,以減少所需設備的數目,並進一步提高整體效率。這可透過靜態配置(即切斷不需要的驅動器和元件)或動態配置(即根據需要啟動或禁用資源)來實現。這些技術可減少所需設備數量及功率需求。

•利用功率感知元件,如可支援低功率狀態並進行全面功率管理的PCI Express(PCIe),以及讓系統能監控與管理目標設備功率狀態的PMBus。

本文小結

用戶對擁有足夠運算能力和性能的平台需求將隨時間不斷增加。電腦功能必然會像過去15年一樣迅速發展。全球資料量的顯著成長將持續推動伺服器和資料中心數量的增加。而過去不到10年間,全球伺服器總數量已經增加了近150倍。

這一事實加上能源價格持續上漲的壓力,使得未來高能效運算領域的創新對電腦在全球各地的推廣使用至關重要。為此,必須從矽晶片設計開始,到先進電源管理技術和元件能效改進等,在整個運算平台上致力提升效率。顯然,隨著系統數量及其功能的不斷增加,持續提升運算和資訊系統的能效是非常重要的。

作者:Tim Higgs

環保工程師

Erik Peter

策略規劃師

Henry ML Wong

資深平台技術專家

Jim Kardach

資深平台架構專家

英特爾公司





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