Eko-komputery, niedaleka przyszłość

Energooszczędność i ochrona zasobów naturalnych znajdują się na początku listy rzeczy, które mogą zapobiec postępującym zmianom klimatu. Dlatego dostarczanie technologii informacyjnych i komunikacyjnych, które promują niższe zużycie energii i wpływają na ochronę klimatu staje się jednym z kluczowych zadań branży IT.

Technologie ograniczające zużycie energii w procesorach mają ogromny wpływ na koszty użytkowania i komfort pracy praktycznie w każdym segmencie rynku – od desktopów przez serwery do notebooków. Ilość prądu pobieranego przez procesor ma bezpośredni wpływ na ilość emitowanego ciepła. Elementy te determinują np. długość działania notebooka na bateriach, hałas, jaki może generować wentylator na procesorze, czy koszt chłodzenia, jakiego mogą wymagać ogromne farmy serwerów.

Celem, jaki przyświeca projektantom jest obniżenie współczynnika TDP procesorów (Thermal Design Envelope) przy jednoczesnym zwiększaniu wydajności. Co ciekawe, są to w zasadzie elementy ze sobą sprzeczne – zwiększanie wydajności uzyskujemy teoretycznie poprzez dodanie nowych funkcji w procesorze lub zwiększenie zegara jakim jest taktowany – a to zawsze oznacza większy pobór prądu. Dlatego najlepszym sposobem na obniżenie prądożerności jest zmniejszanie procesu produkcyjnego, czyli np. zmniejszenie rozmiaru tranzystorów z 45 nm na 32 nm, dzięki czemu pobierają one mniej energii. Również stosowanie nowych materiałów do budowy tranzystora, które niwelują straty energetyczne (tzw. leakage – upływność prądu – coś co można porównać ze stratami jakie odnotowują elektrociepłownie przy przesyłaniu energii kablami – zawsze jakaś jej część jest tracona w drodze) oraz zmiany w samej architekturze, które optymalizują zarządzanie energią.

Intel pod koniec 2007 roku zaprezentował nowy proces produkcyjny z tranzystorami o rozmiarze 45 nm. Wykorzystano w nich nowy element do budowy tranzystora – metalową bramkę o stałej dialektycznej (High K & Metal Gate). Dzięki niej, oprócz oczywistych korzyści ze zmniejszenia rozmiaru tranzystora, została znacznie ograniczona upływność prądu – czyli niekontrolowane straty. Efektem tego było ograniczenie prądożerności o 30% względem poprzedniej generacji 65 nm procesorów.

Ponad roczne doświadczenie w 45 nm procesie produkcyjnym, w połączeniu z architekturą niedawno zaprezentowanych czterordzeniowych procesorów Intel Core i7 zaowocowało dalszym rozwojem technologii, które jeszcze bardziej zoptymalizowały zarządzanie energią.

W procesorze Intel Core i7 znajduje się element nazwany Power Control Unit, którego zadaniem jest zaawansowane zarządzanie energią na podstawie wyników, jakie daje sieć czujników rozlokowanych na całej płytce CPU. Power Control Unit wykorzystuje milion tranzystorów z 720 milionów na całym procesorze. Dodatkowo Core i7 prezentuje po raz pierwszy na świecie możliwość całkowitego wyeliminowania poboru energii przez rdzeń, jeżeli nie jest on wykorzystywany.

Dotychczas, jeżeli procesor czterordzeniowy był wykorzystywany do pracy nad aplikacją, która korzysta z 2 rdzeni, to pozostałe rdzenie nieaktywne były wyłączone, ale nadal pobierały prąd (zjawisko związane właśnie z niekontrolowanymi stratami czyli upływnością). Element nazwany Power Gate, który jest połączeniem nowych materiałów i technologii, pozwolił na całkowite wyłączenie rdzenia oraz wyeliminowanie jakichkolwiek strat energetycznych.

Oczywiście jednym z najpopularniejszych sposobów na ograniczenie poboru prądu są technologie obniżające taktowanie procesora, jeżeli jest on nieużywany (tzw. stan idle). Zmniejszenie taktowania wprost przekłada się na zmniejszenie poboru prądu (technologia Enhanced Intel SpeedStep). Na ogólny bilans energetyczny nie ma to jednak kluczowego wpływu gdyż zakładamy, że komputer jest włączony po to, aby działać, a nie stać bezczynnie.

Najlepszym miernikiem poziomu technologicznego związanego z oszczędnością energii są wyniki, jakie uzyskują procesory mobilne. Do dziś laptopy z intelowską technologią Centrino można uznawać za produkty oferujące najlepszy czas pracy na bateriach przy zachowaniu wysokiej efektywności pracy procesora. Systemy mobilne zużywają znacznie mniej energii niż stacjonarne, zwłaszcza w przypadku wykorzystania technologii zarządzania.

Najmniejszy procesor Intela, Intel Atom, który mierzy mniej niż 25 mm², jest oparty na zupełnie nowej mikroarchitekturze opracowanej specjalnie pod kątem niskiego poboru mocy i wysokiej wydajności. Układ ten jest przeznaczony dla nowej klasy urządzeń zorientowanych na internet w tym mobilnych urządzeń internetowych oraz prostych i niedrogich komputerów internetowych.

FKN.P