Архитектура Intel® с низким потреблением энергии для устройств небольшого размера и веса

Рам Чери (Ram Chary), Пат А. Коррейа (Pat A. Correia), Равипракаш Нагарадж (Raviprakash Nagaraj) и Джеймс Сонг (James Song)


В последние годы мы отмечаем непрерывный рост производительности портативных и встроенных вычислительных устройств и все более широкое распространение беспроводных технологий. Рано или поздно это приведет к тому, что устройства небольшого размера и веса станут играть важнейшую роль во всех аспектах нашей жизни. Но для того, чтобы такой прогноз стал реальностью, необходимо в первую очередь решить проблему управления питанием. Это необходимо для эффективного рассеяния тепла и повышения длительности работы от батарей для непрерывного выполнения вычислительных задач. Исследователи компании Intel создают новые схемы управления питанием на каждом уровне системы, чтобы "миниатюрные компьютерные системы" стали возможной и реальной частью повседневной жизни.

Версия: 8.0

2 сентября 2004 г.

 

Введение

Портативные вычислительные и коммуникационные устройства – от сотового телефона до карманного ПК – прочно укрепились в нашей жизни. С развитием производительности универсальных устройств и распространения беспроводных технологий мы начинаем зависеть от этих портативных и встроенных вычислительных устройств. В будущем устройства небольшого размера и веса будут обладать большей вычислительной мощью, чем те, которые мы используем сегодня. В них будут реализованы такие новые возможности, как цифровая обработка сигналов или воспроизведение высококачественных аудио- и видеофайлов. Со временем портативные и встроенные устройства станут полноценными компьютерными системами в миниатюре.

Сейчас исследователи Лаборатории системных технологий компании Intel изучают и разрабатывают различные методы управления питанием для карманных компьютеров и систем меньшего размера. Полным ходом идут исследования компании Intel, целью которых является создание платформенной инфраструктуры, способной обеспечить новые возможности. Такая инфраструктура для развития платформы с низким потреблением энергии должна решать задачи продолжительности автономной работы, рассеяния теплоты и общего управления питанием – важнейшие факторы работы высокопроизводительных устройств небольшого размера и веса, которые должны быть всегда готовы к работе и работать в различных условиях.

Концепция: Реализация технологии

Достигая большей производительности и универсальности устройств и более широкого распространения беспроводных технологий, мы используем портативные и встроенные устройства для любых задач, от развлечений до личного и профессионального творчества, от сельского хозяйства до здравоохранения. Встроенные в автомобили, магазинные тележки и даже холодильники устройства призваны организовать и облегчить нашу жизнь.

Нам доступны компьютеры и устройства, способные подключаться к беспроводным сетям. Однако современные портативные устройства – телефоны, карманные ПК, портативные проигрыватели и игровые устройства – способны выполнять только одну какую-то функцию. Со временем эта тенденция изменится. В будущем портативные устройства и системы меньшего размера будут обладать достаточной вычислительной мощью, памятью и пространством хранения для выполнения таких сложнейших задач, как распознавание речи и изображений, анализ, моделирование и рендеринг графики для высокоскоростных игр. Устройства даже самых малых размеров будут оснащены большими (по сравнению с самим устройством), высококачественными экранами, аудиосистемами; будут встроены возможности воспроизведения изображений и другие технологии.

 

По мере роста функциональности устройств повышается важность управления питанием для системы в целом. Чтобы такие портативные и встроенные вычислительные устройства стали реальностью, к проблеме питания необходимо подойти сразу с двух фронтов: продолжительность автономной работы и рассеяние теплоты. Чтобы иметь возможность пользоваться портативными устройствами на протяжении всего дня без дополнительной зарядки аккумуляторов, необходимо снизить энергопотребление до минимального уровня. Большинство новейших моделей сотовых телефонов имеют возможность непрерывной работы от аккумулятора в течение 8-13 часов. Проблема рассеяния теплоты актуальна как для карманных, так и для встроенных устройств. В будущем устройства с повышенной плотностью транзисторов будут выделять большее количество тепла. При этом температура портативных устройств не должна повышаться, а теплоотдача встроенных устройств не должна оказывать влияние на работу других компонентов автомобиля или "умного" холодильника.



Жизнь с новыми технологиями

В будущем компьютерные и коммуникационные технологии станут влиять на нашу жизнь во всех отношениях:

  • Наши домочадцы смогут прослушивать музыку или смотреть фильмы на портативных устройствах и дома, и в дороге
  • Врач в отдаленной точке планеты сможет не только просматривать данные обследования пациентов и изучать поступившую информацию в режиме онлайн, но и отслеживать ход выздоровления пациента, а также давать советы по дальнейшему лечению
  • С помощью датчиков, установленных на "умных" полях, фермеры смогут контролировать рост культур и добиваться более высоких урожаев, сокращать применение пестицидов и повышать эффективность использования удобрений, воды и других ресурсов
  • Юная девушка сможет создать "электронный дневник" и записывать свои воспоминания, голоса и лица друзей, а художнику портативные устройства помогут создавать и сохранять мультимедийные "картины"

От концепции к реальности

На решении проблемы питания сконцентрировалась вся электронная промышленность – предприятия, занимающиеся разработкой элементов всех уровней системы, начиная от процессоров и заканчивая комплектующими и ПО. С уменьшением физических размеров систем задача становится еще более сложной. По нашему убеждению, пользовательский интерфейс должен определять размер устройства, а не входящие в него компоненты или подключаемое оборудование. Цель наших исследований – не только найти способ вместить в малые форм-факторы все функции и возможности полноценного устройства, но и решить проблему питания и теплоотдачи на всех уровнях, от кремниевых элементов до периферийных устройств. 

Кремний и основы микроархитектуры

Проблема питания начинается на уровне кремниевых элементов. Полупроводниковые устройства с повышенной плотностью размещения транзисторов потребляют больше энергии, выделяют больше тепла, а утечка энергии снижает мощность. Исследователи компании Intel используют ряд инновационных технологий, которые позволяют оптимизировать энергопотребление и управлять утечкой на уровне микросхем. Например, в 65-нм технологический процесс компании Intel входит несколько новых технологий энергосбережения. Это и новые материалы, и "спящие" транзисторы, и снижение размеров аккумуляторов на микросхемах SRAM, и использование напряженного кремния второго поколения. Все это позволяет повысить производительность и в то же время снизить энергопотребление, тепловыделение и утечку энергии. Кроме того, в новых высокопроизводительных транзисторах, разработанных исследователями компании Intel, в качестве диэлектрика затвора применяется материал новой технологии "high-k", а в затворе транзистора используется новые металл. Сочетание диэлектрика затвора "high-k" с металлическим затвором позволяет значительно сократить утечку энергии, однако не снижает производительность транзистора. Другие технологии (например, технологии изготовления подложки) позволяют управлять производительностью транзистора, сократить утечку энергии и добиться оптимальных показателей энергопотребления.

Технологии построения микроархитектур включают в себя "рычаги" для управления питанием на уровне системы. Исследователи компании Intel изучают новые архитектуры, в которых не только успешно решаются задачи энергопотребления и тепловыделения, но и предусмотрены методы динамического управления этими характеристиками при выполнении приложений. Мы рассматриваем два подхода к увеличению общей производительности, позволяющих повысить эффективность управления питанием. Это использование многоядерных и кластерных микроархитектур и микроархитектур с оптимизированным энергопотреблением. При первом подходе в центре внимания оказываются ядра и кластеры процессоров. Они оптимизируют распределение нагрузки за счет программных и аппаратных механизмов, которые динамически контролируют использование, приоритет и тепловые характеристики рабочей нагрузки. Архитектура с оптимизированным энергопотреблением подразумевает использование микроархитектурных инноваций и расширений набора команд. Это позволяет повысить производительность и сократить потребление за счет повышения эффективности каждой машинной команды. Для снижения избыточности на уровне микроархитектуры мы определяем часто используемые последовательности команд, тщательно оптимизируем их и сохраняем для последующего повторного использования.

Энергопотребление комплектующих

Комплектующие оказывают решающее влияние на энергопотребление портативных устройств; именно поэтому компания Intel повышает эффективность продуктов в сотрудничестве с производителями различных компонентов ПК. Например, компания Intel ведет совместную работу с производителями ЖК-мониторов, цель которой – добиться повышения эффективности управления подсветкой. Кроме того, наши специалисты по оптике разрабатывают рекомендации по проектированию устройств с пониженным энергопотреблением за счет передачи света на лицевую сторону монитора. Цель нашей работы – создание новых промышленных стандартов на последовательные интерфейсы со сверхнизкой амплитудой сигнала. Применение таких интерфейсов для мониторов способно на порядок сократить потери энергии в интерфейсе. Кроме того, мы ведем совместную работу с теми компаниями, которые разрабатывают новые тип мониторов для мобильных систем.

Управление питанием на уровне системы

Проблемы питания на уровне системы в портативных и встроенных устройствах усложняются обилием системных компонентов в малом форм-факторе, а также частыми сменами среды, в которых используются устройства.
Для примера рассмотрим проблему рассеяния тепла. Вычислительные компоненты портативного устройства – дисплей и жесткий диск (энергоемкие потребители), радиомодули и другие системные компоненты (USB, Ethernet и аудиоконтроллеры) – выделяют тепло. По сути, разместить вентиляторы в устройстве попросту невозможно, поэтому цель производителей – поддерживать температурное равновесие на таком уровне, чтобы избыток тепла мог передаваться в окружающую среду пассивными методами. Это необходимо для того, чтобы температура поверхности устройства никогда не поднималась выше приемлемого для пользователя уровня. (Большинство людей ощущают неудобства ношения устройства с температурой поверхности более 50°C. При температуре 55°C возникает вероятность ожога.) Размер устройства определяет количество тепла, которое может рассеиваться в окружающую среду с заданным температурным перепадом между окружающей средой и внешней поверхностью устройства. В большинстве офисов и домов температура окружающей среды поддерживается на уровне 25°. Это означает, что разница температур для пассивного отвода тепла от устройства будет составлять не более 25°C. Следовательно, для устройства объемом 300 куб. см. максимальное количество энергии, рассеиваемой в обычных условиях, составляет 5 Вт. Это означает, что проблему рассеяния теплоты следует решать за счет управления и сокращения потребляемой мощности.

Аналогичным образом строится подход к увеличению продолжительности автономной работы: чем ниже потребление энергии, тем работает аккумулятор. Объем и вес батареи, рассчитанной на 8 часов работы в режиме "всегда включен", как правило, неприемлем для карманных и встроенных устройств. Таким образом, чтобы продлить время работы до 8 часов и более, нам следует ограничивать максимальное энергопотребление на основе температурных пределов и использовать инновационные технологии для снижения средней мощности.

Управление питанием в активном режиме работы и в режиме простоя

В управлении питанием есть два направления: сокращение энергопотребления в активном режиме, или режиме "использования", и сокращение энергопотребления, когда устройство находится в режиме простоя. Цель управления питанием в активном режиме ясна: вычислительная задача должна выполняться с максимально возможной эффективностью. Нами уже разработан ряд технологий управления энергопотребления в режиме активной работы. Так, компанией Intel уже созданы инструменты для разработчиков программного обеспечения (например, анализатор производительности Intel® VTune™), которые позволяют оптимизировать программный код, чтобы сократить время на выполнение задач и, соответственно, потребление энергии. Благодаря многоядерным и многофункциональным микроархитектурам будущего, нам будут доступны различные типы транзисторов – высокопроизводительные, с высоким потреблением энергии, а также экономичные низкоскоростные.

Одна из основных задач наших исследований – разработать инструменты и интерфейсы программирования и поддержки ОС, которые позволяли бы разработчикам легко и быстро (и по возможности, незаметно) оптимизировать приложения и использовать все функции энергосбережения, заложенные в микроархитектуре.

Второй целью управления энергопотреблением в режиме постоянной работы является определение действительно активных компонентов системы. Большинство компонентов современных систем работает в постоянном режиме даже в тех случаях, когда фактически они не используются. Мы разрабатываем адаптивные, контекстные схемы управления питанием на уровне системы. Они позволяют определять компоненты системы, которые не используются в режиме постоянной работы, и переводить их в режим минимально возможного энергопотребления без участия пользователя. Полученные на сегодняшний день результаты работы позволяют увеличить срок работы от аккумулятора более чем на 20%.

При создании новых моделей управления питанием в режиме простоя мы стремимся расширить само понятие "простой". При этом наша цель – повысить готовность устройств к работе. Современные устройства с "большим временем автономной работы", как правило, оптимизированы на очень низкое энергопотребление в режиме простоя. Этого легко добиться, если само определение "простой" предельно ясно. Например, телефон находится в режиме "простоя", когда он не используется для звонков. Однако когда речь заходит об устройствах будущего, которые предназначены для постоянного сбора и обработки информации, найти однозначное определение сложнее. Как уже упоминалось, в устройства будущего предполагается включить большее количество уровней "простоя", чем предусматривается сейчас. Все последующие портативные устройства будут иметь большее число активных и неактивных компонентов.

Возьмем для примера MP3-проигрыватель, который может использоваться для разных целей: воспроизведение музыки, чтение почты или работа в Интернет. В нем будут содержаться различные компоненты: как минимум, ЦП, жесткий диск, дисплей, аудиокомпоненты, аппаратная поддержка стандарта 802.11 или любого другого протокола радиосвязи. Чаще всего использоваться будут далеко не все эти компоненты. При простом прослушивании музыки не будут задействованы дисплей и радиокомпоненты. Если пользователь работает в Интернет и при этом не слушает музыку, будут простаивать аудиокомпоненты. Служба "Менеджер политик" на уровне системы смогла бы контролировать различные компоненты при помощи служб на уровне устройства, и переводить их в режим минимального энергопотребления, подобный "спящему" или "ждущему" режиму, поддерживаемому многими современными устройствами.


Рис. 1. Анализ управления питанием – MP3-проигрыватель
Тем не менее, современный "спящий режим" зачастую создает проблему готовности к работе. Многие пользователи игнорируют использование режима энергосбережения своего компьютера или монитора из-за 10 или 20-секундной задержки при переключении режимов. В будущих системах малых форм-факторов возобновление работы после "глубокого сна" будет выполняться с меньшей временной задержкой. Для улучшения управления питанием и удобства использования устройств исследователи компании Intel разрабатывают новый режим, который мы называем "hypernate". Он позволяет снижать энергопотребление до уровня, аналогичного режиму ACPI S4¹, но с меньшим временем ожидания при переключении режимов. Технология "hypernate" будет чаще использовать режимы "глубокого сна" для сбережения энергии без участия пользователя.

Усовершенствования на уровне платформы

Другие архитектурные инновации помогают снизить энергопотребление платформ малого форм-фактора. Например, для определения "горячих точек" системы на ранних этапах разработки, когда оптимизация архитектуры проходит проще и экономичнее, мы пользуемся методом составления профилей температур. 



Рис. 2. Профили температур
До изменения архитектуры (слева) тепло формируется в ядре, время выдержки в режиме простоя составляет 10 минут, температура ядра достигает 90°C, а среднее энергопотребление – 12 Вт. После корректировки (справа), тепло распределяется лучше, время выдержки в режиме простоя увеличивается до 20 минут, температура ядра достигает всего 80°C, а среднее энергопотребление – 9 Вт.

Таким образом, профиль температур помогает обнаружить "горячие точки" в системе при различных рабочих нагрузках (при работе различных приложений). Составление профилей является важным инструментом в определении возможных путей улучшения эффективности и воздействия на структуру системы.

Сокращение энергопотребления в системах будущего

Новые портативные и встроенные вычислительные устройства, которые появляются с развитием коммуникаций и компьютерных технологий, обещают нам более производительное, интересное и творческое будущее. Возможность добиться этого в реальности зависит от эффективного управления питанием на каждом уровне системной архитектуры и на каждом этапе проектирования компонента и устройства. Компания Intel в сотрудничестве с другими разработчиками, производителями комплектующих, разработчиками систем и предприятиями отрасли исследует и разрабатывает новые архитектуры. Эти инновации позволят сократить энергопотребление систем, увеличить время автономной работы портативных устройств и охватить весь мир передовыми технологиями, которые улучшают нашу жизнь во всех отношениях.

Группа корпоративных технологий компании Intel (CTG)
В 70 подразделениях компании Intel, расположенных по всему миру, работает более 7000 специалистов по исследованиям и разработке. Сотрудничество с аналогичными предприятиями, университетами и деловыми подразделениями Intel, исследования мирового класса, которые проводятся в Группе корпоративных технологий, позволяют компании Intel сохранять лидерство в разработке технологий.

Лаборатория системных технологий (STL)
Лаборатория системных технологий (STL) - одно из четырех исследовательских подразделений Группы корпоративных технологий компании Intel (CTG). Партнеры STL совместно с группами продуктов Intel создают технологии мирового класса и архитектуры систем для будущих продуктов компании Intel на основе кремния.

Для получения более подробной информации:
Посетите страницу www.intel.com/technology/systems/stl или свяжитесь с Pat Correia, менеджером по развитию бизнеса, Лаборатория системных технологий, Группа корпоративных технологий.

¹ Расширенный интерфейс управления конфигурацией и питанием "сохранение информации на жестком диске".



Версия в формате PDF [PDF 151KB] на английском языке
Для получения подробной информации о возможностях оптимизации компилятора обратитесь к нашему Уведомлению об оптимизации.
Категории: