效率度量指標(biāo)的未來(lái)發(fā)展

　　很多時(shí)候，一個(gè)具有較好功率值的設(shè)備表面看來(lái)會(huì)比另外一個(gè)更好，但設(shè)計(jì)人員經(jīng)常忽略了選擇較好功率值的代價(jià)，而這些代價(jià)初期并不明顯。將能效/功率指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化可有效地解決這些問(wèn)題，而隨著工程師更看重如何降低系統(tǒng)的功耗，將度量指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化也顯得越來(lái)越重要。

　　例如，當(dāng)您的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手拿您的最高端及最高性能的產(chǎn)品跟他最低端的產(chǎn)品進(jìn)行比較，他們的產(chǎn)品當(dāng)然是功耗更低。所以能效的標(biāo)準(zhǔn)度量是很重要的，尤其對(duì)于復(fù)雜的功能而言。

　　宏觀層面

　　讓我們先從宏觀的角度觀察和考量一個(gè)典型的系統(tǒng)的度量指標(biāo)。數(shù)據(jù)處理中心內(nèi)的設(shè)備按照指定的規(guī)則將一個(gè)個(gè)位的數(shù)據(jù)從一個(gè)連接運(yùn)送到另一個(gè)連接，這些規(guī)則可以是目的地的地址、優(yōu)先次序、安全保護(hù)等等。這些系統(tǒng)的性能一般都經(jīng)過(guò)調(diào)校，從而不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)包丟失及瓶頸的問(wèn)題。然而，隨著全球通信基建設(shè)備不斷地發(fā)展壯大，尤其在網(wǎng)絡(luò)上傳送視頻，這些數(shù)據(jù)處理中心對(duì)電力的需求正急劇增長(zhǎng)。

　　因此，很多制造商希望能想出降低整體能耗的方法?？墒牵瑔?wèn)題在于應(yīng)該如何去公平地衡量功率。如果您只簡(jiǎn)單地使用一個(gè)瓦特表去衡量功率，您得到的結(jié)果只是設(shè)備在那一瞬間的功率大小，它不能告訴您任何關(guān)于系統(tǒng)整體運(yùn)作的情況。在我們的舉例中，系統(tǒng)可能正在每秒運(yùn)送成千上萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)包，抑或已與網(wǎng)絡(luò)中斷通信。單純的功率指標(biāo)就像是說(shuō)“我汽車的引擎每小時(shí)消耗5加侖的汽油”，但它沒(méi)有告訴您引擎的性能是什么樣。在這個(gè)宏觀的指標(biāo)中，電力是唯一被度量的因素。

　　在比較系統(tǒng)的時(shí)候，更有效的方法是首先考量系統(tǒng)的功能。舉例來(lái)說(shuō)，該設(shè)備的運(yùn)行是將數(shù)據(jù)包從一個(gè)連接運(yùn)送到另一個(gè)連接。因此，度量設(shè)備的性能應(yīng)以它的傳輸能力作為準(zhǔn)則，也就是設(shè)備每秒可靠及無(wú)誤地傳送數(shù)據(jù)包的數(shù)量。一般來(lái)說(shuō)，這個(gè)數(shù)值都是測(cè)試或設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)提供的最高值。系統(tǒng)的最高吞吐量為性能的高低確定了一個(gè)極限，該極限也就是數(shù)據(jù)處理中心采購(gòu)經(jīng)理的選購(gòu)指標(biāo)。

　　方程式1表示范例系統(tǒng)在最高負(fù)載下的耗電量與數(shù)據(jù)包傳送數(shù)量的簡(jiǎn)化比率。系統(tǒng)性能以每單位時(shí)間的數(shù)據(jù)包數(shù)量計(jì)算，而功率的量度單位則以每單位時(shí)間(秒，s)所消耗的能量(焦耳，J)計(jì)算，并以W(瓦)表示。因此，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化之后的度量指標(biāo)便是每傳送一個(gè)數(shù)據(jù)包(P)所需的能量(J/Ptransferred)。如果我們的范例系統(tǒng)在最高負(fù)載時(shí)每秒可傳送1億個(gè)數(shù)據(jù)包，同時(shí)提取300W的電力，那么最終的功率/性能比將會(huì)是3x10-6J每數(shù)據(jù)包，或是3mJ每數(shù)據(jù)包(3.0mJ/P)。

　　方程式 1 – 能量度量的簡(jiǎn)化式 ：

　　其中 EPT=效率以焦耳每封包作單位計(jì)算(J / p);P = 功率(瓦特);TP = 封包的傳輸速率以封包每秒作單位計(jì)算;s = 秒;p = 封包數(shù)量。

　　類似的度量計(jì)算方法也可應(yīng)用到典型及較低負(fù)載的情況中。舉例而言，兩個(gè)高性能系統(tǒng)可以擁有絕對(duì)一樣的峰值吞吐量，而且功耗同樣都是400W。在最高吞吐量的水平下，表面上它們的表現(xiàn)都是一樣的，可是其中一個(gè)可能具備帶寬調(diào)節(jié)功能(bandwidth throttling)，可以把未使用的系統(tǒng)部分轉(zhuǎn)給較輕負(fù)載使用。這就是所謂的“自適性功率減省(APR)”，能夠有效地節(jié)省正常運(yùn)作的功耗。如果系統(tǒng)缺少APR，它在較低負(fù)載時(shí)便需消耗更多能量。在我們的例子中，具備APR功能的系統(tǒng)，其功耗在5000萬(wàn)數(shù)據(jù)包每秒的負(fù)載下可以降低到200W，達(dá)到4mJ/P的等級(jí)。相反地，如果系統(tǒng)沒(méi)有APR，它在相同吞吐量下的性能等級(jí)便只有8mJ/P。

　　設(shè)計(jì)人員的觀點(diǎn)

　　因此，如果您拿這些指標(biāo)去比較系統(tǒng)，便可以決定哪一個(gè)系統(tǒng)的效率更高。那么，現(xiàn)在剩下來(lái)的問(wèn)題是這些指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員有何意義或啟發(fā)?如果工程人員的任務(wù)是在改善系統(tǒng)性能的同時(shí)降低功耗，他們便需要先了解所選組件的性能/能源度量特性。

　　美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體為其PowerWise品牌產(chǎn)品制定了一些能源/性能指標(biāo)，這些指標(biāo)可識(shí)別哪一個(gè)產(chǎn)品在指定能耗下的性能是最高的。設(shè)計(jì)人員可以選擇那些在指定能耗下表現(xiàn)最佳的組件，抑或可以選擇在指定性能級(jí)別下能耗最低的組件。

　　此外，設(shè)計(jì)人員也應(yīng)該開(kāi)始考慮為系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)添加自適性功能以降低功耗。毫無(wú)疑問(wèn)，即使在滿負(fù)載的情況下，系統(tǒng)仍很少會(huì)用盡所有功率，就像汽車不會(huì)全程都以250公里時(shí)速全速去行駛。在大多數(shù)的情況下，系統(tǒng)會(huì)按需要不斷在較低性能水平與較高性能水平之間循環(huán)。假如設(shè)備能夠通過(guò)負(fù)載轉(zhuǎn)移、卸除未使用的部分、調(diào)節(jié)時(shí)鐘頻率或其它的方法去達(dá)到較低的功率，系統(tǒng)便可節(jié)省更多功率。