About / Advertise
Energi slukas när ett blir noll och noll blir ett
Det ska smälla mindre i grindarna. Det är vad all strömsparteknik går ut på, enligt Mats Brorsson, professor på KTH. Reglerad klockfrekvens och avstängda kretsar är två av många möjliga sätt att få tyst på grindarna.
Det ska smälla mindre i grindarna. Det är vad all strömsparteknik går ut på, enligt Mats Brorsson, professor på KTH. Reglerad klockfrekvens och avstängda kretsar är två av många möjliga sätt att få tyst på grindarna.
Processorutveckling brukade handla om snabbhet.
- Men det vi gör nu är att vi tar upp samtliga aspekter av arkitektur på nytt. Och istället för prestanda så tittar vi på energin, säger Mats Brorsson som är professor på KTH.
Effektmedveten datorarkitektur. Så kallar Mats Brorsson sitt forskningsområde.
Intresset för effektförbrukning kom samtidigt med intresset för bärbara apparater. Batterier ska räcka länge.
En annan drivkraft är att det börjat bli alldeles för varmt i serverrummen. Datacentralerna eldar för kråkorna med enorma kylanordningar för serverracken.
Strömsnålhet kan ge svalka. RLX, ett av de första företagen som bildades kring Transmetas strömsnåla x86-processor Crusoe, säljer bladservrar med argumentet "maximal vinst per kvadratmeter". Ju svalare processorn är, desto fler får plats i datacentralen där kunden betalar hyra per kvadratmeter.
Crusoe kan inte riktigt tävla i prestanda med de x86-processorer den konkurrerar med. Men varför ha mer beräkningskraft än vad som krävs för en given uppgift? Transmeta ställer frågan i sin marknadsföring och sätter fingret på en viktig insikt. ökad prestanda har inget egenvärde. Däremot kanske man vill att datorn i knät som visar en DVD-film ska vara sval.
Nästan all energi i processorn används när grindarna växlar läge, från logiskt ett till noll och tvärtom. Då flyter strömmar som laddar upp och ur grindutgångarna. Läckströmmar i viloläge stjäl ett par procent av förbrukningen.
Grindarna ska smälla mindre. Det är målet med effektmedveten arkitektur, enligt Mats Brorsson.
- Om man kan arrangera så att det blir övergångar så sällan som möjligt, så blir effektförlusterna lägre.
Ojämn belastning
Ett sätt är att minska frekvensen. Prestandabehovet kommer i skurar, till exempel när skärmen byter innehåll, och kan följas av långa perioder av låg aktivitet.
Ett annat knep för att spara ström är att stänga av inaktiva delar av processorn. Man kan antingen stänga av klockan eller spänningen. Klockmetoden stöds av konstruktionsverktygen sedan några år och används idag till exempel i Xscale, Strongarm och Power PC.
Om man istället stänger av spänningen till kretsen, slipper man läckströmmar. å andra sidan tar det mycket längre tid att väcka kretsblocket igen.
Intern kommunikation sätter grindar i arbete. Här finns många sparmöjligheter. Cacheminnet kan nyttjas effektivare.
Byt sällan
Effektiv cacheanvändning är ett gammalt forskningsområde. Målet är att organisera beräkningen så att cacheminnet sällan byter innehåll. Men det har handlat om att maximera prestanda. Nu handlar det om att minimera energin.
Mats Brorson ger fler idéer som alla går ut samma sak: att grindarna ska växla läge så sällan som möjligt. Om man adderar tal som innehåller många inledande nollor kan man stänga av motsvarande bitar hos adderaren.
Det kan löna sig att bygga chips med flera processorkärnor. Operativsystem kör flera program samtidigt. Att växla program innebär att byta innehåll i alla register. Istället skulle man kunna växla mellan kärnor.
Man kan spara beräkningar i minnet i stället för att göra om dem.Korta instruktionslängder ger mindre kommunikation mellan processor och minne.
Man kan graykoda eller på annat sätt koda om binärtalen för att minimera antalet bitväxlingar.
Parallellt med utvecklingen av arkitekturen sker också en förbättring av tillverkningsprocesserna som ger mindre transistorer med lägre energiförbrukning. Effektutvecklingen i en processor växer med antalet transistorer, frekvensen och matningsspänningen i kvadrat.
- Men det vi gör nu är att vi tar upp samtliga aspekter av arkitektur på nytt. Och istället för prestanda så tittar vi på energin, säger Mats Brorsson som är professor på KTH.
Effektmedveten datorarkitektur. Så kallar Mats Brorsson sitt forskningsområde.
Intresset för effektförbrukning kom samtidigt med intresset för bärbara apparater. Batterier ska räcka länge.
En annan drivkraft är att det börjat bli alldeles för varmt i serverrummen. Datacentralerna eldar för kråkorna med enorma kylanordningar för serverracken.
Strömsnålhet kan ge svalka. RLX, ett av de första företagen som bildades kring Transmetas strömsnåla x86-processor Crusoe, säljer bladservrar med argumentet "maximal vinst per kvadratmeter". Ju svalare processorn är, desto fler får plats i datacentralen där kunden betalar hyra per kvadratmeter.
 |
| Mats Brorsson, KTH |
Crusoe kan inte riktigt tävla i prestanda med de x86-processorer den konkurrerar med. Men varför ha mer beräkningskraft än vad som krävs för en given uppgift? Transmeta ställer frågan i sin marknadsföring och sätter fingret på en viktig insikt. ökad prestanda har inget egenvärde. Däremot kanske man vill att datorn i knät som visar en DVD-film ska vara sval.
Nästan all energi i processorn används när grindarna växlar läge, från logiskt ett till noll och tvärtom. Då flyter strömmar som laddar upp och ur grindutgångarna. Läckströmmar i viloläge stjäl ett par procent av förbrukningen.
Grindarna ska smälla mindre. Det är målet med effektmedveten arkitektur, enligt Mats Brorsson.
- Om man kan arrangera så att det blir övergångar så sällan som möjligt, så blir effektförlusterna lägre.
Ojämn belastning
Ett sätt är att minska frekvensen. Prestandabehovet kommer i skurar, till exempel när skärmen byter innehåll, och kan följas av långa perioder av låg aktivitet.
Ett annat knep för att spara ström är att stänga av inaktiva delar av processorn. Man kan antingen stänga av klockan eller spänningen. Klockmetoden stöds av konstruktionsverktygen sedan några år och används idag till exempel i Xscale, Strongarm och Power PC.
Om man istället stänger av spänningen till kretsen, slipper man läckströmmar. å andra sidan tar det mycket längre tid att väcka kretsblocket igen.
Intern kommunikation sätter grindar i arbete. Här finns många sparmöjligheter. Cacheminnet kan nyttjas effektivare.
Byt sällan
Effektiv cacheanvändning är ett gammalt forskningsområde. Målet är att organisera beräkningen så att cacheminnet sällan byter innehåll. Men det har handlat om att maximera prestanda. Nu handlar det om att minimera energin.
Mats Brorson ger fler idéer som alla går ut samma sak: att grindarna ska växla läge så sällan som möjligt. Om man adderar tal som innehåller många inledande nollor kan man stänga av motsvarande bitar hos adderaren.
Det kan löna sig att bygga chips med flera processorkärnor. Operativsystem kör flera program samtidigt. Att växla program innebär att byta innehåll i alla register. Istället skulle man kunna växla mellan kärnor.
Man kan spara beräkningar i minnet i stället för att göra om dem.Korta instruktionslängder ger mindre kommunikation mellan processor och minne.
Man kan graykoda eller på annat sätt koda om binärtalen för att minimera antalet bitväxlingar.
Parallellt med utvecklingen av arkitekturen sker också en förbättring av tillverkningsprocesserna som ger mindre transistorer med lägre energiförbrukning. Effektutvecklingen i en processor växer med antalet transistorer, frekvensen och matningsspänningen i kvadrat.
Jan Tångring
