Разработка методики определения классов энергетической эффективности компьютерной техники

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Разработка методики определения классов энергетической эффективности компьютерной техники

К.т.н.

В.И. Фукс

Статья посвящена порядку определения классов энергетической эффективности компьютерной техники с учетом многообразия ее типов, характеристик и специфики применений как для массовых общенациональных программ, так и для высокопроизводительных вычислений, в т.ч. для решения разнообразных задач обороны.

Keywords: energy efficiency,classes of energy efficiency in computer technology, computer types, weights factors of energy efficiency.

энергетический компьютерный техника высокопроизводительный

С учетом постоянного роста применений информационных технологий энергетическая эффективность стала приоритетом для компьютерных систем общего и специального назначения и одной из движущих сил совершенствования архитектур и технологий как мобильных и встраиваемых процессоров, так и мощных суперкомпьютеров и серверов. С одной стороны, это связано с необходимостью снижения уровня потребления энергии, поскольку ограничения по величине выделяемого тепла стали препятствовать дальнейшему увеличению производительности процессоров. С другой - это обусловлено мировой тенденцией к экономии энергетических ресурсов.

Необходимость экономии потребляемой энергии становится значительной проблемой применения компьютеров во всех диапазонах их производительности:

средний персональный компьютер (ПК) требует выработки в год примерно 1000 кВт·ч энергии, и если умножить число находящихся в пользовании ПК на 1000, то в масштабах страны получается вполне серьезная цифра;

если считать, что за последние 15 лет производительность суперкомпьютеров при выполнении научных приложений выросла в 10 тыс. раз, то производительность в пересчете на единицу потребляемой мощности за то же самое время увеличилась лишь в 300 раз. Сегодня потребляемая мощность наиболее производительных петафлопных суперкомпьютеров достигает 10 МВт. К 2019 году ожидаются машины экзофлоповой производительности, и, если они будут изготавливаться на основе сегодняшней технологии, надо оценивать их потребление мощности в гигаваттах;

нельзя игнорировать и тот факт, что само производство компьютеров тоже является чрезвычайно материало- и энергоемким. По некоторым данным (www.osp.ru/text/print/302/4837353.html) в весовых показателях выход полезных продуктов в полупроводниковой отрасли сравним только с ядерным производством, а удельные затраты энергии в полупроводниковой отрасли на порядки выше, чем в машиностроении. Нет ничего удивительного в том, что многие компании отрасли не имеют собственного производства, используя для этой цели ресурсы третьих стран;

дополнительным фактором роста энергозатрат, связанных с применением информационных технологий, служит короткий срок морального старения компьютерной техники, что приводит к интенсификации расходования ресурсов и необходимости утилизации отходов с высоким содержанием вредных веществ. Действуют уже несколько международных организаций, призванных контролировать утилизацию вышедших из употребления компьютеров.

В этой связи, повышение энергетической эффективности в сфере производства и применения компьютерной техники должно быть направлено на:

разработку и внедрение энергосберегающих технологий производства (включая производство материалов и компонент);

оптимизацию характеристик энергопотребления различных классов компьютерной техники;

использование энергосберегающих технологий утилизации отслуживших устройств.

Решение проблемы энергосбережения актуально для всего диапазона компьютерной техники - от персональных компьютеров до суперЭВМ, несмотря на существенные различия режимов их применения.

Для ПК и рабочих станций характерно требование обеспечения пиковой производительности только в течение коротких периодов. КПД используемых в ПК маломощных источников питания не превышает 90%. Программное выключение ПК оставляет компьютер в сети, и он продолжает потреблять свои 2 - 3 Вт, а если умножить их на сотни миллионов пользователей, то получается значительный расход энергии.

С другой стороны, специфика применения требует постоянного режима работы серверов и высокопроизводительных (и, соответственно, энергоемких, в т.ч. из-за большой номенклатуры внешних устройств) вычислительных систем, несмотря на то, что энергопотребление их может меняться в зависимости от параметров загрузки.

Соответственно, должны разрабатываться и применяться стандарты совершенствования системы управления питанием, определяющие интерфейсы между аппаратными средствами управления питанием и операционными системами компьютеров, а также поддерживаться другие инициативы, направленные на то, чтобы стимулировать внедрение высокоэффективных источников энергии (с КПД свыше 90%) и использование функций энергосбережения, уже имеющихся в оборудовании пользователей. Современные процессоры в режимах ожидания или низкой активности могут расходовать значительно меньшую часть своей пиковой потребляемой мощности, т.е. динамический диапазон может составлять 10 - 80% от максимального потребления.

Технологии создания энергетически эффективных микросхем, управления тактовыми частотами, а также динамическое масштабирование напряжения и рабочей частоты окажутся полезными и для ПК, и для серверов, и для высокопроизводительных процессорных систем.

Создание более эффективных центральных процессоров, базирующихся на многоядерной архитектуре, также способствует появлению энергосберегающих серверов. Однако долгосрочные тенденции неизменно свидетельствуют о том, что для достижения более высокой производительности требуется более высокий уровень использования энергии. В итоге энергетическую эффективность систем необходимо увеличивать теми же темпами, что и производительность компьютеров, чтобы избежать значительного роста уровня энергопотребления. Компромисс между энергетической эффективностью компьютеров и их производительностью при решении задач должен быть целью разработчиков компонентов и систем, с учетом целесообразности создания проектов, обеспечивающих потребление энергии пропорционально объему выполняемых вычислений.

Федеральный закон Российской Федерации от 23 ноября 2009 г. № 261-ФЗ «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» в общем виде определяет меры государственного регулирования в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности, в т.ч. и для компьютерной техники.

Среди них:

требование об обязательном предоставлении информации об энергетической эффективности в прилагаемой технической документации и на маркировке;

требование об установлении правил определения классов энергетической эффективности для компьютерной техники;

необходимость разработки и реализации программ по стимулированию производства объектов с высокой энергетической эффективностью.

При подготовке нормативных правовых актов о порядке определения классов энергетической эффективности компьютерной техники должно быть учтено все многообразие ее типов, характеристик и специфики применений как для массовых общенациональных программ, так и для высокопроизводительных вычислений, в т.ч. для решения разнообразных задач обороны. Известные классификации компьютерной техники по признакам назначения, производительности, размерам и т.д. в силу быстро меняющихся архитектур, параметров и требований со стороны применений не обеспечивают четких границ между классами.

Для разработки порядка определения классов энергетической эффективности компьютерной техники (и их количества) необходимо выбрать и утвердить наборы признаков ранжирования, достаточно полно характеризующие типы компьютеров, находящихся в обращении на территории РФ, и аналитическим или экспертным путем назначить весовые значения факторов энергосбережения для всех уровней (рангов) внутри каждой группы признаков. Управление назначаемыми весовыми значениями позволит с достаточной точностью приспособить определение классов энергетической эффективности к потребностям всех сфер их применимости. Принцип ранжирования компьютерной техники с целью определения классов их энергетической эффективности иллюстрируется таблицами 1 и 2.

Таблица 1

Ранжирование процессорной техники

Таблица 2

Ранжирование внешних устройств

Методика определения классов энергетической эффективности компьютерной техники приведена в табл. 3.

Таблица 3

Значение суммарного фактора энергосбережения для конкретного вида продукции компьютерной техники рассчитывается по формуле:

P = (Axai) + (Bxbi) + (Cxci) + (Dxdi) + (Exei).

P1, P2, ... , Pj - пограничные значения суммарного фактора энергосбережения для выделенных классов.

Для каждого выделенного класса устройств компьютерной техники устанавливают максимальные и минимальные значения индексов энергетической эффективности Ij.

Индекс энергетической эффективности рассчитывается (для граничных значений мощностей W(min, max) в каждом классе) по формулам:

Imin = (1 - Wmin / Wнорм) · 100%, Imax = (1 - Wmax / Wнорм) · 100%,

где: W(min/max) - минимальная/максимальная мощность устройства в классе, приведенная к единице производительности (или объема, или др.);

Wнорм - нормативное значение мощности для устройств конкретного класса, приведенное к единице производительности (или объема и др.).

Фактическое значение индекса энергетической эффективности устройства в классе Iфакт не должно быть менее Imin.

В составе информации, доводимой до потребителей компьютерной техники, в технической документации и маркировке конкретных изделий производителю необходимо указывать сведения:

о классе энергетической эффективности;

о диапазоне индексов энергоэффективности устройств этого класса;

о фактическом значении индекса.

Перспективные программы работ по созданию и производству компьютерной техники с высокой энергетической эффективностью должны включать задания по разработке:

показателей энергетической эффективности по классам компьютерной техники, в т.ч. оборонного применения;

перечней типов компьютерной техники, характеризующихся наиболее эффективным использованием энергетических ресурсов (в отношении которых не устанавливаются классы энергетической эффективности);

порядка оценки соответствия (в т.ч. при сертификации) показателей энергопотребления установленным требованиям на конкретные изделия компьютерной техники с присвоением маркировочного знака энергетической эффективности.

Размещено на Allbest.ru