تسريع كفاءة استهلاك الطاقة، وتباطؤ قانون مور

تزداد أهمية كفاءة استهلاك الطاقة مع التطورات التكنولوجية المستمرة التي أحدثت ثورة في عالم الحوسبة. وعلى مدى العشرين عاماً الماضية، أثمر تضخم نطاق الحوسبة العديد من المنافع المجتمعية في قطاعات العمل والتعليم والبحث والرعاية الصحية وغيرها من القطاعات، وفي المقابل، نمت الطاقة والبصمة البيئية للحوسبة. إن التحول نحو الحوسبة السحابية لدرجة الوصول إلى نقطة الاتصال الدائم والحصول على تجارب مشوقة تشمل الواقع الافتراضي والحقيقة المدمجة، سيضيف الكثير من طلبات الحصول على أداء حاسوبي فعال. وتشير التوقعات إلى أن حصة تكنولوجيا المعلومات والاتصالات بما في ذلك الهواتف المتحركة والحواسيب، من استهلاك الكهرباء عالمياً ستصل إلى 14% بحلول عام 2020.

وتكمن النتيجة لجميع هذه العوامل بارتفاع معدل الطلب السوقي على التقنيات التي تعزز من أداء وحدات المعالجة وخفض استهلاك الطاقة. حيث يتم وصف كفاءة استهلاك الطاقة على أنها الجمع بين تحسين الأداء والحفاظ على أو الحد من استخدام الطاقة.

ماذا بعد

ومن الناحية التاريخية، تحولت التحسينات في كفاءة استخدام الطاقة إلى منتج ثانوي من قانون مور، حيث لاحظ مور أن زيادة عدد الترانزستورات على شريحة المعالج يتضاعف تقريبا كل عامين، وأدت هذه الملاحظة إلى البدء بدمج السيليكون والدوائر المتكاملة من قبل إنتل مما ساهم في تنشيط الثورة التكنولوجية في شتى أنحاء العالم. وهذا يعني أن زيادة عدد الترانزستورات على رقاقة حاسوب واحدة وخفض المسافة الفعلية فيما بينها ينتج عنه أداء أفضل وكفاءة في الاستخدام.

ومع ذلك، تتباطأ الفوائد المرتبطة بالطاقة التي تنتج عن قانون مور، ومن الممكن أن تشكل تهديداً على التطورات المستقبلية في مجال الحوسبة. حيث وصلنا إلى درجة يشكل فيها تصغير الترانزستورات اصطداماً لمواجهة الحدود المادية. ومع استمرار عدد الترانزستورات في التراجع، يصبح التيار المسرب من التحديات الهندسية الكبرى. وقد أدى هذا إلى دفع الكثيرين للتساؤل ما إذا كان سيستمر قانون مور على وتيرته التقليدية أم لا.

تاريخياً ووفقاً لوكالة كفاءة الطاقة الدولية، بعدما أصبحت الترانزستورات أصغر حجماً، تحسن مستوى استهلاك الطاقة وكذلك الحال مع سرعة المعالج. والآن تباطأت هذه الزيادة الثابتة في الكفاءة، ولذلك فمن الواضح أن مصممي أشباه الموصلات سيحتاجون إلى وضع تدابير مبتكرة لاستكمال تباطؤ مكاسب الكفاءة في استهلاك الطاقة.

وفي AMD، أخذنا على عاتقنا هدفاً أساسياً يكمن في تحسين كفاءة استخدام الطاقة في منتجاتنا، لتعزيز كفاءة استهلاك الطاقة في وحدات المعالجة المتحركة 25 مرة أكثر خلال الفترة ما بين عامي 2014 و2020، ونطلق عليها اسم مبادرة 25X20. كيف يصل مستوانا ومستوى الآخرين في هذه الصناعة عند الاستجابة إلى تباطؤ مكاسب الكفاءة والتي قد ينتج عنها آثار عميقة على الاقتصاد العالمي البيئي، حيث يعتمد المجتمع أيضاً على التقنيات الرقمية.

ولكن ماذا لو لم يعد للمنهج التاريخي نفس التأثير كما كان من قبل، ما الذي يمكن أن تفعله هذه الصناعة للتعويض وتحقيق مكاسب مستقبلية في كفاءة استهلاك الطاقة. وبالنسبة للمعالج، ستكون الإجابة في الحصول على بنية معالج جديدة وتقنيات فعالة من حيث استهلاك الطاقة وتقنيات إدارة الطاقة.

منذ عقود ويتم تصميم وحدة المعالجة المركزية للكمبيوتر لتشغيل مهام البرمجة العامة. تتقن هذه المعالجات تشغيل تعليمات الحوسبة بشكل متسلسل، وتستخدم بشكل متزايد مجموعة متنوعة من التقنيات المعقدة والخوارزميات من أجل تحسين مستوى السرعة. وعلى خلاف ذلك، تعتبر وحدات معالجة الرسومات مسرعات متخصصة صممت أصلاً لطلاء الملايين من البكسلز في وقت واحد عبر الشاشة. وهذا يحدث من خلال إجراء عمليات حسابية توازي استخدام بنية بسيطة نسبياً. تعمل وحدات المعالجة المركزية والرسومية تقليدياً كوحدات المعالجة المنفصلة أو على رقائق منفصلة أو لوحات الدوائر المتكاملة ضمن جهاز الكمبيوتر وأجهزة ألعاب الفيديو والجهاز اللوحي أو الهاتف الذكي وفي بعض الخوادم وأجهزة الكمبيوتر العملاقة.

واليوم، يتزايد معدل دمج وحدة المعالجة المركزية ووحدة معالجة الرسومات في كيان واحد، والتي تعرف الآن في الصناعة باسم “وحدة المعالجة المسرَّعة”.

وهنا تأتي الخطوة الصحيحة في الاتجاه الصحيح، حيث استمر العمل بجلب نوعين من المعالجات المتجانسة وغير المتجانسة يكون من شأنها تحسين مستوى الأداء وتقليل معدل استهلاك الطاقة. ما أدى إلى ظهور معيار الصناعة الناشئة والتي تعرف ببنية النظم الغير متجانسة.

إن الأثر الصافي لبنية النظم الغير متجانسة يتيح لوحدة المعالجة المركزية ووحدة معالجة الرسومات توحيد العمل ضمن وحدة المعالجة المسرعة، وهذا يوفر الكثير من التعقيدات ونفقات العمل. تحقق العديد من أشكال أعباء العمل الفائدة من التشغيل المتوازي لوحدة معالجة الرسومات، وتحقق كفاءة أكثر بعدة مرات عند استخدام وحدات المعالجة المسرعة والمركزية بشكل تعاوني. وتعد هذه القدرات في غاية الأهمية للعديد من التطبيقات مثل التعرف على الصوت وأمن البيانات والتصوير الطبي وتسلسل الجينوم والقيادة المستقلة وتركز تطبيقات الحاسوب العملاق على البحث العلمي الأساسي. وبالإضافة إلى ذلك، من الممكن أن يؤدي هذا الدمج العملي لنوعي المعالجات إلى تحسين كبير في الأداء وكفاءة استهلاك الطاقة. وبدأت رقائق المعالج الجديدة التي تشغل بنية النظم الغير متجانسة بالدخول إلى الأسواق وتبشر بظهور تطبيقات وإمكانيات جديدة.

إن تغيير أعباء العمل الحاسوبية يؤثر أيضاً على قوة استخدام المعالجات. حيث أن معظم الحواسيب تعمل في قمة فعاليتها لفترة محدودة من الوقت، وغالباً ما تكون بمعدل 1%.

وبالتالي، أصبحت معظم مجالات الحوسبة الآن تتسم بالوقت الضائع، أي الفترات التي يتم فيها رصد الفيديو أو تأخير عرضه أو بعد الانتهاء من تحميل الصفحة على الإنترنت. وتعد التقنيات الأمثل للحصول على كفاء استهلاك الطاقة من الاستخدام النموذجي.

وعلى سبيل المثال، عندما تتواجد مطالب حاسوبية مخصصة مثل عرض الفيديو، تتطلب المعالجات المزيد من الكهرباء والتي لا تكتمل إلا مع انتهاء المهمة. كما أن التغيرات المفاجئة تسبب تقلبات كبيرة في إمدادات الطاقة للرقاقة. وعادة ما يوفر مصممو المعالجات الدقيقة كمية فائضة من الطاقة لضمان حصول المعالج دائماً على كمية كافية تلبي حجم الطلب، إلا أن هذه الممارسة تعد مكلفة من حيث الطاقة. ويمثل الضبط السريع لتلبية الاحتياجات المتغيرة للتطبيق فرصة للقضاء على القوة المهدرة. تتضمن أحدث معالجات AMD هذه القدرات والفعاليات المتكيفة في وحدات المعالجة المركزية ووحدة معالجة الرسومات، ما يساعد على الحد من استهلاك الطاقة من 10 إلى 20%.

وبعيداً عن البنية وكفاءة استهلاك الطاقة، يمكن لتقنيات إدارة الطاقة أن تقدم المزيد من مكاسب استهلاك الطاقة. ومن الأمثلة على ذلك الرصد وإدارة الطاقة ودرجة الحرارة والتحركات عبر وحدات المعالجة المسرعة. وهذا يتيح لوحدة المعالجة تخصيص الطاقة اللازمة وفقاً للحاجة، ومع ارتفاع مستوى الأداءـ يتم استكمال المهام بطريقة أسرع وبالتالي يمكن الاستفادة من الوقت المهدر.

تقدم المناهج المستخدمة الجديدة تصغير كبير وإمكانية أفضل لاستهلاك الطاقة. وتعتبر شركة AMD هي الأولى في الصناعة التي تعلن عن استخدام ذاكرة بنطاق عرض ترددي عالي في وحدات معالجة الرسومات وخفض استهلاك الطاقة. وتعتمد بطاقات الذاكرة الرسومية ذات النطاق الترددي العريض على خصائص ثلاثية الأبعاد في وحدات معالجة الرسومات، والتي تكون نتيجتها استهلاك طاقة أقل بثلاثة مرات.

ولا يمكن لأحد أن يقول متى سيتوقف قانون مور، ومع ذلك لا شك في أن مكاسب كفاءة استهلاك الطاقة قد تباطأت إلى حد كبير. وفي نفس الوقت، يزداد معدل استهلاك الطاقة من المجتمع المتنامي لأجهزة الحاسوب. وللتغلب على الحدود المادية من الترانزستورات الصغيرة جداً، لا بد من الاعتماد على هندسة ذكية من أجل الاستمرار في تنمية كفاءة الحوسبة. وفي المستقبل، سينبع الجزء الأكبر من مكاسب كفاءة استهلاك الطاقة من الهندسة المعمارية وتصميم الدوائر الجديد وإدارة طاقة التقنيات.

بقلم

مارك بيبر ماستر

– نائب الرئيس والرئيس التنفيذي التكنولوجي لشركة AMD