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摩爾定律在能效領域仍將適用

最新更新時間:2015-05-07來源: EEWORLD編譯關鍵字:摩爾定律  半導體 手機看文章 掃描二維碼
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   堅持小型化路線困難重重,但在降低現(xiàn)代電腦的能耗方面仍有空間。
 
    沒人可以說得清楚摩爾定律到底何時會失效,然而,像我們這樣的半導體專家會不停地思考那一天到來的景象。因為那標志著世界上最重要的一個行業(yè)——半導體業(yè)非凡歷史的終結。
 
    我們知道,在過去的15年,每一代最先進的芯片只比上一代在性能上略有提高。
 
    那么摩爾定律是否會就此終結?這樣的想法并不準確,因為即使基本的物理認知擺在我們面前,但是在能耗方面,摩爾定律依然擁有發(fā)展空間。
 
    有很多方法可以測量一臺電腦的效率水平,但其中最簡單的辦法就是計算芯片以最快速度運行程序時,電腦所輸出的峰值效率。
 
    峰值效率通常是指每消耗一度電,芯片執(zhí)行計算的總次數(shù)。
 
    根據(jù)2011年《IEEE計算編年史》發(fā)布的行業(yè)審評論文,其翻番的速率保持在一年半,而且此趨勢已經(jīng)持續(xù)了50年之久。
 
    這樣的趨勢從1940年第一代微處理器問世時就開始了。但是到了2000年,其趨勢慢慢趨于平穩(wěn)。峰值效率和性能的提升速度開始減緩,主要原因是物理因素限制了元件縮小的可能性。
 
    芯片制造商轉而開始研究優(yōu)化結構,例如在一個微處理器中加入多核結構,即使這樣也不能保持其原有的增速。
 
    如今,我們發(fā)現(xiàn),峰值效率歷時2.7年才增長一倍,速度減緩的趨勢相當明顯?;仡櫄v史,在過去的一百年中,增速主要來自爆發(fā)式增長的10年;以當前的速度,18年后,芯片速度將提高100倍。
 
    幸好也有好消息,計算機的運行要求已經(jīng)改變了。在摩爾定律提出后的幾年,計算機還是相當昂貴和少見的,而且運行速度也增長緩慢。
 
    如今,電腦已經(jīng)非常普及了,芯片設計的重點也已經(jīng)從使用高速CPU的固定設備移向利用低功耗的移動設備,比如筆記本電腦,手機和平板電腦。
 
    今天,大多數(shù)電腦運行并到達峰值效率只需要很少的時間(高性能超級電腦和“比特幣挖礦機”除外)。
 
    根據(jù)行業(yè)的測量,像智能手機和筆記本電腦等移動設備,它們運行在計算峰值的時間少于1%。
服務于企業(yè)的應用,也只占不到10%的年峰值效能。甚至使用云計算的互聯(lián)網(wǎng)服務在全速的情況下,也達不到其50%的時間。
 
    在這樣的前提下,優(yōu)秀的能源設計能夠在設備待機和關閉時消耗最少的能量。先進的能效指示器可以計算出未達到峰值時設備的平均能耗。
 
    最近我們定義了“典型效率”這一計算方法,它可以更好地與正在使用的芯片同步。像峰值效率一樣,它也是在每使用一度電的前提下進行計算的。
 
    然而,此方法分開統(tǒng)計每年中的運行次數(shù),也就是說,它表明在同一時間內(nèi),處理器和電路板在不同模式下總能耗的加權和。
 
    打個比方,一臺筆記本電腦在運行游戲時會達到峰值效率,但是這只是其中一部分時間。像其他常用的應用,比如文字處理或者播放視頻,則可能只會消耗十分之一的電能。因為它們只需要芯片的一小部分功能。智能電源管理可以主動地在運行的程序之間選擇開或關。
 
    激動人心的是,從2008年AMD公司的芯片生產(chǎn)線開始,典型效率的應用正在逐漸壯大。
到2020年,我們對AMD公司進行估算,其典型效率每一年半就會增長一倍,這和摩爾定律處于黃金期的發(fā)展速度基本相同。
 
數(shù)據(jù)來源:AMD, Koomey et al. (2011)
 
    這得益于工程師對電路設計、元件組合及軟件等大刀闊斧的改進,此外,能耗管理方案促使不工作的電路盡可能地達到低功耗水平。
 
    像圖形處理單元和信息處理單元這樣的特定加速器組合,可以更有效地進行指定運算,從而降低平均能耗。
 
    當然,對任何指數(shù)型趨勢來說,最終都是會結束的。而電路設計人員會成為他們自己成功之后的受害者。當待機功率接近0時,電腦的電能消耗是極其微小的。
 
    在10年內(nèi),能耗將再次被電腦控制。限制摩爾定律的物理因素,同樣也會影響有效功率。
 
    在之后的幾十年內(nèi),如果我們想要保持計算機以原有速度發(fā)展,那么我們將不得不重新考慮電腦的基礎設計。同時,能量效率進一步穩(wěn)定增長,也給了人們更多機會去發(fā)現(xiàn)新的方法。
 
關鍵字:摩爾定律  半導體 編輯:chenyy 引用地址:摩爾定律在能效領域仍將適用

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