Сокращение расхода электроэнергии в электронных устройствах становится все более и более важным параметром. И это стимулирует развитие, поскольку всемирное законодательство вынуждает производителей улучшать эффективность энергопотребления и в периоды активной работы, и в периоды ожидания. Расход же электроэнергии продолжает повышаться, поскольку устройства становятся все более быстродействующими и компактными. Исследования показали, что в домах в периоды ожидания может тратиться до 25% мощности электроэнергии. Чтобы помочь сохранить энергию, Международное энергетическое агентство (IEA) предложило к 2010 г. довести потребление мощности во всех устройствах, находящихся в периодах ожидания, до не более 1 ватта. Это решение получило название «Инициатива на один ватт».
С целью минимизации энергозатрат рассматриваются направления использования пониженного напряжения питания, пониженной тактовой частоты, тогда, когда не требуется высокая скорость вычислений, причем предусматриваются специальные стандартизированные режимы управления напряжением и частотой процессора. В этом плане также развиваются новые схемотехнические технологии.
Анализ доступных источников позволяет выделить следующие основные направления снижения энергопотребления аппаратного обеспечения (АО) ПК. Однако не следует забывать, что снижение напряжения питания снижает помехоустойчивость и увеличивает интенсивность сбоев. Поэтому предложен соответствующий показатель энергонадёжности (a new metric – the energy-reliability product). Снижение тактовой частоты увеличивает время выполнения алгоритмов, что может свести на нет экономию энергии. То есть, как и всегда, «чудо-оружия» и панацеи нет и нужна вдумчивая, скрупулёзная оптимизация при применении всех этих методов «озеленения».
В начале микропроцессорной эры (40 лет с лишним тому назад) большинство процессоров использовали одно и то же напряжение и для процессора, и для схем ввода- вывода, они, как правило, работали при напряжении, равном 5 В, которое позже было снижено до 3,5 В или 3,3 В (в целях уменьшения потребляемой мощности). Тем не менее, один из первых микропроцессоров – 8080А имел даже три уровня питания: +5 В, – 5 В, +12 В, и прошло несколько лет, пока не был разработан микропроцессор 8085 с одним уровнем питания +5 В. Для повышения энергоэффективности процессоров используется технология уменьшения напряжения (Voltage Reduction Technology – VRT), в начале в портативных вариантах процессора Pentium еще в 1996 г. Далее два уровня напряжения использовались также и в процессорах для настольных систем, например, Pentium MMX был рассчитан на напряжение 2,8 В, а схемы ввода–вывода работали при напряжении 3,3 В. Затем напряжение питания процессора (Mobile Pentium II) еще более снизили – до 1,6 В. Теперь напряжение питания ядра процессора – от 1,0 В до 1,55 В и даже может быть меньше вольта – 0,98 В и 0,95 В. Память – 1,5 В и 1,35 В. Контроллеры – от 3,3 В до 2,5 В. Как правило, в ПК имеются средства UEFI (Unified Extensible Firmware Interface) BIOS, которые позволяют менять значение напряжения ядра Vcore вручную с шагом 0,005 В в диапазоне от 1 В до 2 В. В настоящее время напряжения ±5 В, ±12 В, +3,3 В используются материнской платой. Для жестких дисков, оптических приводов, вентиляторов в настоящее время используются только напряжения +5 В и +12 В. Манипуляции с напряжением питания выполняют при так называемом «разгоне» процессора – увеличении его тактовой частоты выше номинальной (Overclocking). Соответственно есть и обратная операция – «торможение» (Underclocking), снижение тактовой частоты ниже номинальной.
В настоящее время для многоядерных процессоров используется технология PAIR (power aware interrupt routing – подача ядрам сигналов о прерываниях с учётом экономии энергии), которая при частичной нагрузке выбирает одно из включенных ядер для обработки всех прерываний, чтобы остальные ядра продолжали спать. Введена приоритезация прерываний – обработка не требующих немедленной реакции событий может откладываться, пока какое-то из ядер не проснется. Уровни напряжение питания процессора делят на повышенное (ХЕ), нормальное, низкое (LV) и очень низкое (ULV). Задается показатель теплоотвода (thermal design power, TDP, иногда thermal design point), указывающий требования к производительности системы охлаждения процессора. Компания AMD использует новую энергетическую характеристику под названием ACP (Average CPU Power, «средний уровень энергопотребления») процессоров при нагрузке. Задают также сценарный уровень энергопотребления (Scenario design power, SDP) – уровень энергопотребления процессора, присущий наиболее распространённому сценарию рабочей нагрузки, температуры и частоты, он применяется компанией Intel только для своих процессоров серии Y, используемых в ультрабуках и планшетах. Компания AMD также начала использовать эту метрику для сравнения уровня энергопотребления некоторых своих процессоров с процессорами Intel. Энергопотребление современных компьютерных систем определяется значениями токов питания в статическом и динамическом режиме функционирования. Энергопотребление в статическом режиме, определяемое токами утечки, зависит от размеров кристалла и используемых технологией его производства. Таким образом, энергопотребление в настоящее время более всего определяется тактовой частотой, чем она ниже – тем меньше энергии потребляет микросхема, но это приводит к падению производительности. Метод динамического масштабирования напряжения и частоты (DVFS – Dynamic voltage and frequency scaling) используется для снижения динамического энергопотребления путём уменьшения напряжения питания или частоты в соответствие с ACPI (Advanced Configuration and Power Interface – усовершенствованный интерфейс управления конфигурацией и питанием). Сама схема тактирования занимает 20–40% общего потребления. Динамическую мощность можно уменьшить за счет уменьшения количества переключаемых элементов, например, путём блокировки некоторых компонентов. Выявление неиспользуемых элементов и отключение их во время работы программы (стробирование) позволяет сэкономить 15–64% мощности потребления без существенного увеличения задержек или занимаемой площади на кристалле. Такое отключение выполняют в настоящее время даже путем полного отключения питания блоков процессора. Для оптимизации энергопотребления за счет системы команд предложены также RISP-процессоры с реконфигурируемым набором инструкций, ASIP-процессоры со специализированным набором команд, NISC-процессоры без набора инструкций, когда они создаются «на лету» под конкретное приложение. Отдельного рассмотрения заслуживают вопросы энергооптимизации конвейеров процессоров.
Для обеспечения энергоэффективности динамической оперативной памяти также используют снижение питающего напряжения. За последние годы энергопотребление оперативной памяти снизилось до 30%. Напряжение питания DDR2 (double-data-rate four synchronous dynamic random access memory) – 1,8 В против 2,5 В ранее – DDR. Однако такое напряжение используется для «медленной» памяти, указано, что для обеспечения 800 МГц необходимо 2–2,2 В. У DDR3 еще более уменьшено потребление энергии по сравнению с модулями DDR2, что обусловлено пониженным уже до 1,5 В напряжением питания ячеек памяти. Снижение напряжения питания достигается за счет использования более тонкого техпроцесса (вначале был 90 нм, в дальнейшем 65, 50, 40 нм) при производстве микросхем и применения специальных транзисторов с двойным затвором Dual-gate, что способствует снижению токов утечки. Существуют вариант памяти DDR3L (L означает Low) с еще более низким напряжением питания, 1,35 В, что меньше традиционного для DDR3 на 10 %. Время передачи бита в настоящее время – доли наносекунды! В январе 2011 г. компания Samsung представила модуль DDR4. Техпроцесс составил 30 нм, объём памяти 2 ГБ, а напряжение 1,2 В. Минимальный объём одного модуля DDR4 составит 2 ГБ, максимальный – 128 ГБ. Основное отличие DDR4 заключается в удвоенном до 16 числе банков, что позволило вдвое увеличить скорость передачи – до 3,2 Гбит/с. Пропускная способность памяти DDR4 достигает 34,1 ГБ/c (в случае максимальной эффективной частоты 4266 МГц, определённой спецификациями). Кроме того, повышена надежность работы за счет введения механизма контроля четности на шинах адреса и команд. Используется так называемое «расслоение» – многоканальная память, что увеличивает пропускную способность и, соответственно производительность ПК. Ожидается, что использование памяти типа MRAM (magnetoresistive random-access memory) ещё более снизит энергопотребление. Такая память знаменует своего рода возврат на новом уровне к приснопамятным ФТЯ – феррит-транзисторным ячейкам. Кэш-память, находящаяся во всех современных процессорах на ядре, – это самая быстрая память, в которую помещается информация, необходимая процессору. Первым делом процессор обращается к кэш-памяти 1-го уровня при отсутствии нужной информации, он обращается к кэш-памяти других уровней или берет ее из оперативной памяти. Для снижения энергопотребления статической оперативной памяти – кэш-памяти – вводят буфер, чтобы брать данные из него напрямую без обращения к общему кэшу. Поскольку этот буфер относительно мал, то расход энергии существенно сокращается при условии, что обеспечивается достаточная частота попаданий. Используется также метод отключения неиспользуемых уровней кэш памяти. Что касается дисковой памяти, то меньшие форм-факторы (например, 2,5- дюймовый) жестких дисков приводят к потреблению меньшей энергии за гигабайт, чем физически больших дисков. Переход на хранение данных в твердотельных накопителях также часто способствует снижению энергопотребления. Удалось снизить потребление энергии и эксплуатационные расходы центров обработки данных на 80% при одновременном увеличении производительности сверх того, что было достижимо посредством использования нескольких жестких дисков в Raid 0. Твердотельный накопитель (solid-state drive, SSD) компьютерное немеханическое запоминающее устройство на основе микросхем памяти. Кроме них, SSD содержит управляющий контроллер. Различают два вида твердотельных накопителей: основанных на оперативной памяти, и основанных на флеш-памяти. С 2012 г. уже выпускаются твердотельные накопители со скоростью чтения и записи, во много раз превосходящие возможности жестких дисков. Они характеризуются относительно небольшими размерами и низким энергопотреблением. Однако, имеются и существенные недостатки, например, высокая стоимость проблемы восстановления информации и др. Поэтому разработаны и так называемые гибридные жесткие диски. Такие устройства сочетают в одном устройстве накопитель на жестких магнитных дисках (HDD) и твердотельный накопитель относительно небольшого объема, в качестве кэша (для увеличения производительности и срока службы устройства, снижения энергопотребления). В настоящее время твердотельные накопители используются не только в компактных устройствах: ноутбуках, нетбуках, коммуникаторах и смартфонах, но могут быть использованы и в стационарных компьютерах для повышения производительности. Можно с уверенностью констатировать, что технологии памяти и обеспечения её энергоэффективности динамично развиваются, уже созданы экспериментальные образцы эффективной нано-памяти порядка нескольких терабайтов.
В связи с уменьшением размеров транзисторов практически до молекулярных параметров, определяющее значение приобретает энергопотребление соединительных проводников и задержки, вносимые ими. В шинных соединениях рассеивается до трети всей потребляемой мощности. Используют также уменьшение числа переключений шины путем кодирования (коды Хэмминга, Грея). Если передаются адреса, и они идут последовательно, то в дальнейшем может использоваться дополнительный разряд, а остальные разряды «замораживаются», иначе дополнительный разряд отключается и передаётся весь адрес. Кроме того, может использоваться сегментирование шины (по длине и по ширине), когда используется только активный сегмент, что обеспечивает и сокращение длины шины. Предполагается также расширенное использование оптических связей, уменьшающих задержку и снижающих потери при передаче информации (преодоление «бутылочного горлышка» связей – interconnect bottleneck, введение Optical Network-on-Chip – ONoC). Переход с ЭЛТ-мониторов на ЖК-мониторы также способствовал энергосбережению. Кроме того, ЭЛТ содержат значительные количества свинца. ЖК-мониторы, как правило, используют люминесцентные лампы. Некоторые новые дисплеи используют массив светоизлучающих диодов (LED), что уменьшает количество требуемой электроэнергии. Быстрый графический процессор может быть самым большим потребителем электроэнергии в компьютере. Поэтому разрабатываются технологии не только увеличения производительности, но и энергоэффективности, например, новая версия DirectX (Intel и Microsoft) также будет способствовать снижению уровня энергопотребления системы при сохранении высокой производительности в 3D.
Сейчас различные устройства, работающие по Ethernet, появляются не только в офисах и в различных стационарных сетях, но и в новых областях, например таких, как мобильные устройства, работающие от аккумуляторов.
Вычисление расхода электроэнергии для устройств, работающих по Ethernet, не столь очевидно, как это может показаться. Чтобы успешно выполнить проекты, имеющие малое потребление мощности по Ethernet, сначала нам будет важно понять, где эта мощность рассеивается. В любом устройстве с Ethernet главное рассеяние мощности происходит на приемопередатчике PHY. Обычно большинство проектов приемопередатчиков PHY представляют собой драйверы, которые работают в непрерывном «нагруженном» режиме. Мощность рассеивается как внутри микросхемы PHY, так и снаружи — в трансформаторе (рис. 1).
Рис. 1. Рассеяние мощности в цепи Ethernet PHY для режима Current-Mode
Новое поколение микросхем, выпускаемых фирмой Micrel, — KSZ8021/31/51 — представляет собой семейство Fast Ethernet PHY-драйверов, в которых применена смешанная аналогово-цифровая архитектура вместе с запатентованной улучшенной DSP-обработкой. Все это позволило получить самый низкий в отрасли расход электроэнергии. Устройство в целом имеет уровень расхода энергии подобно другим ведущим Ethernet PHY — менее 50 мА. Однако не происходит потери энергии во внешнем трансформаторе, так как драйвер работает в режиме драйвера напряжения, а не в режиме драйвера тока. Следовательно, по сравнению с конкурирующими решениями достигается сохранение 50% расхода электроэнергии по сравнению с полным расходом энергии схемы. Проект расположения компонентов на PCB также упрощается, снижаются и другие аппаратные затраты благодаря уникальной минимизированной объединенной линейной терминации, предлагаемой в Ethernet PHY KSZ8021/31/51 (рис. 2).
Рис. 2. В микросхемах PHY KSZ8021/31/51 терминирование линии встроено, поэтому нет необходимости в применении дополнительных внешних компонентов
Определение термина «нормальное функционирование» с точки зрения использования ресурсов линии в процентном отношении будет весьма субъективно. Если мы проведем анализ сетевого трафика, то обнаружим долго длящиеся тихие периоды, которые чередуются с относительно кратковременными «вспышками» трафика. Такой режим работы может быть оценен как менее чем 3%-ное использование ресурса для линий, работающих по 10/100Base-TX, и еще более низкое использование ресурса для гигабитного Ethernet (рис. 3).
 Рис. 3. Пример использования ресурса для линий
Оба стандарта связи — и 1000Base-TX, и 100Base-TX — разрабатывались так, чтобы абоненты, подключенные к одной линии передачи, непрерывно «синхронизировались» друг с другом. Чтобы это согласование выполнялось в то время, когда никаких данных не передается, PHY автоматически отсылает в линию символы IDLE (11111, или код — 5  так, как показано на рис. 4.
Рис. 4. Паттерн сигнала для 100Base-TX в состоянии Idle
Другая важная для рассмотрения область — это управление электропитанием миросхем для Ethernet. Именно это гарантирует максимальную эффективность энергопотребления. Много современных устройств для работы используют одно напряжение питания, обычно это 3,3 В, и в этих устройствах имеются встроенные линейные регуляторы напряжения для выработки напряжения питания ядра. Это предоставляет клиенту более простую реализацию схемотехники, но не позволяет получить эффективное использование мощности. Поэтому, если возможно (к счастью, весьма часто), отключите внутренний регулятор и подайте более низкое напряжение питания для ядра от внешнего стабилизатора (который зачастую может уже находиться на этой же плате). Чтобы продемонстрировать эту возможность, возьмите, например, однопортовый Ethernet PHY — KSZ8051MNL компании Micrel. Полное потребление энергии при использовании внутреннего регулятора будет равно 3,3 В × 48 мА = 158 мВт. Но если вы отключаете внутренний регулятор и работаете при использовании внешнего источника питания в 1,2 В, то полное потребление энергии будет равно 3,3 В × 36 мА + 1,2 В × 12 мА = 133 мВт.
Семейство PHY — KSZ8051 — также предлагает гибкий диапазон напряжений ввода/вывода: между 1,71 и 3,465 В, что позволяет провести дальнейшее сокращение расхода энергии до 115 мВт. Улучшена эффективность потребления мощности на внушительную величину — 27%, в дополнение к 132 мВт, сохраненным при использовании драйвера, работающего в режиме напряжения, поэтому ток, протекающий во внешних
цепях, равен нулю. Кроме того, ток, выдаваемый буферами ввода/вывода микросхемы, может быть уменьшен от стандартного значения 8 до 4 мА, но, вероятно, более сильно это скажется на снижении эмиссии EMI,
возникающей при работе интерфейса MII.
При рассмотрении спецификации «Инициатива на один ватт» особый интерес представляет раздел, описывающий расход энергии во время состояния ожидания.
Семейство PHY Ethernet KSZ8031/51 имеет улучшенную технологию “Energy Detect Power Management” (дословно — это управление электропитанием при обнаружении энергии). Такая технология позволяет получить более низкий расход энергии во время работы в состоянии ожидания. Есть четыре полностью конфигурируемых режима работы (рис. 5).
Рис. 5. Режимы сбережения мощности и управления электропитанием KSZ8031/51
В Power Saving — режиме сохранения мощности, когда сетевой кабель отключается, выключается и приемная часть трансивера, оставляя в работе только схему обнаружения поступления на вход энергии. Передатчик, все синхрочастоты от PLL и MAC остаются в работе. Внутренние значения регистров не будут изменяться, и интерфейс готов к связи с хостом. Как только на линии наступит состояние активности, то линия стабилизируется и установится режим нормального функционирования.
Режим обнаружения энергии — Energy Detect — представляет собой улучшенную версию режима Power Saving — режима сохранения мощности, описанного выше. В этом режиме устройство экономит более чем 50% электроэнергии относительно нормального функционирования. Здесь период
от обнаружения ситуации, когда на входе микросхемы «нет энергии», и до ввода режима низкого потребления мощности также можно конфигурировать. Во время режима Energy Detect все внутренние блоки отключаются, за исключением схемы, обнаруживающей энергию. PHY также передаст непрерывную последовательность импульсов 1 импульс в секунду, имеющих длительность 120 нс, а не типовое (энергетическое потребление), как в режиме холостого хода при посылке импульсов с комбинацией Idle.
В Power Down — режиме отключения мощности (регистр управления MII Management Register 0hбит 11) — все функциональные блоки отключаются, кроме интерфейса к хосту. Внутренние значения регистров не будут изменяться во время этого режима. Любая операция по доступу к микросхеме от хоста будет вызывать «пробуждение» микросхемы из режима Soft Power Down — программного выключения мощности к режиму нормального функционирования (Normal Operation).
Режим работы генератора с уменьшенной частотой (Slow Oscillator) работает вместе с Power Down — режимом отключения мощности. Они переводят устройство в самое низкое состояние по потреблению мощности, это менее чем 2 мА. Этот режим отключает вход XI (вывод 9), связанный с кварцевым резонатором или с опорным генератором, и к схеме подключается внутренний медленный генератор.
О термине Wake-on-LAN (WoL) часто говорится, что это средство, позволяющее «пробудить» систему из режима ожидания во время нахождения этой системы в режиме низкого потребления мощности. Однако действительность такова, что эта функция редко достигает своей цели. Последовательность импульсов определенного типа направляется к устройству Ethernet. Эта последовательность импульсов обнаруживается приемной частью микросхемы. Получив эти импульсы, PHY установит сигнал прерывания для хоста в активное состояние. Получив прерывание, хост должен включить питание для остальной части системы. Тем не менее режим WoL до сих пор не нашел широкого применения. Возможно, причина состоит в том, что описание этой процедуры не закреплено в стандарте. Нет также и совместимости по применяемым для WoL сигналам, поскольку все поставщики оборудования применяют различные последовательности сигналов. Так, например, фирма AMD в качестве сигналов WoL применяет собственный стандарт Magic Packet («волшебный пакет»). Набор сигналов Magic Packet состоит из последовательности сигналов синхронизации, определяемых как 6 байтов кодов 0xFFh, за которыми следуют 16 повторений MAC-адреса устройства. Эта последовательность передается «внутри» стандартного пакета Ethernet, причем расположение байтов в стандартном пакете Ethernet может быть произвольным. Второе ограничение на WoL, которое имеет место при минимизации мощности потребления для устройств, находящихся в режиме ожидания, состоит в том, что «в деле» участвует не только PHY, но и MAC. Устройство PHY является просто приемопередатчиком и «прозрачно» для принимаемых пакетов данных, к их содержанию. С первого взгляда не всегда «заметно», что до того как система «просыпается», и MAC, и PHY должны работать в нормальном рабочем режиме, а не в режиме низкой потребляемой мощности.
Итак, даже при отсутствии трафика, находясь в состоянии ожидания, в режиме 100Base-TX PHY потребляет полную мощность. Кроме того, большинство встраиваемых приложений, таких как IP STB и телефоны VoIP, уже имеют в составе своих процессоров встроенный Ethernet MAC, пренебрегая при этом поддержкой WoL. В таком случае процессор не имеет
поддержки каких-либо внешних аппаратных средств, и он должен быть разработан так, чтобы он мог обнаруживать пакеты WoL самостоятельно. Поэтому сегодняшние инициативы по сохранению мощности не могут быть достижимы при использовании WoL. Технологией WoL обычно обладают только такие устройства, как Ethernet-контроллеры с MAC/PHY, например находящиеся в компьютерных картах NIC (в сетевых картах). Хотя, честно говоря, это было скорее «источником происхождения» данной технологии или, говоря другими словами, только намерением. Однако это может принести пользу другому сетевому устройству, поддерживающему WoL-технологию и сконфигурированному так, чтобы оно имело возможность «проснуться» и перейти из «сна» в рабочее состояние.
Энергосберегающий Ethernet по IEE 802.3AZ
Неэффективность расхода энергии в схемах, работающих по интерфейсу Ethernet, уже была понята IEEE.
Экспертная группа IEEE 802.3az, также известная как Energy Efficient Ethernet («Энергосберегающий Ethernet»), начала работать над тем, чтобы уменьшить расход энергии в течение периодов малого использования линии
(время простоя). Как мы уже видели на рис. 3, типичное использование трафика в линии Ethernet чрезвычайно низко. Чтобы достигнуть этой цели, необходимо произвести изменения в аппаратных средствах, однако они должны быть полностью совместимы с имеющимися аппаратными средствами. Уменьшая расход энергии в течение периодов низкого использования линии, можно решительно изменить к лучшему эффективность потребления мощности. Этот метод, известный как Low Power Idle (LPI — режим низкой мощности в неактивном состоянии), позволяет отключить части приемопередатчика PHY, все еще занятые тем, что они поддерживают целостность работы линии, и которые не нужны в режиме неактивного состояния. В этом случае только когда PHY получит новые кадры из линии, оно пробудится и вернется к нормальному активному состоянию. Во время LPI периодические символы обновления отсылаются из PHY, что будет гарантировать синхронизацию с получателем.
Пример энергосберегающей работы в Ethernet по IEEE 802.3az показан на рис. 6:
Рис. 6. Пример энергосберегающей работы в Ethernet по IEEE 802.3az
Ts — Sleep Time. Перед тем как попасть в состояние Quiet (спокойное состояние), PHY посылает импульсы Sleep Symbols.
Tq — Quiet Duration. Время, в течение которого PHY находится в состоянии Quiet (спокойное состояние), перед тем как PHY будет разбужено для периода Refresh.
Tr — Refresh Duration. Время, в течение которого PHY посылает Refresh-импульсы для восстановления временных параметров и восстановления коэффициентов.
Tw_PHY — PHY Wake Time. Время, в течение которого PHY приходит в активное состояние, если было принято решение о том, что надо «проснуться».
Tw_System — System Wake Time. Период ожидания, во время которого данные не передаются, он необходим для того, чтобы приемная часть микросхемы «проснулась».
Как показано на рис. 6, когда кадр данных «прибывает» для передачи, но линия находится в режиме низкого потребления мощности, необходимо ожидать «пробуждения» линии, прежде чем может начаться передача.
Это действительно создает дополнительное время ожидания (латентность) Tw_PHY в канале передачи данных. Время, предложенное для «пробуждения» линии, для 100Base-TX и 1000Base-T составляет 30
и 16,5 мкс соответственно. В настоящий момент временные параметры были рассмотрены только для PHY, работающих на скорости передачи в 100Base-TX (режим — полный дуплекс), 1000Base-T и 10G. Спецификация, вероятно, будет завершена в этом году. Как ожидается, уже вскоре после этого устройства Ethernet, поддерживающие IEEE 802.3az, будут доступны на рынке.
PoE (Power Over Ethernet)
Принятый в июле 2003 г. стандарт IEEE 802.3af регламентирует способ энергоснабжения устройств, подключенных к сети Ethernet, который предполагает использование кабеля, предназначенного для передачи данных.
Power over Ethernet, или PoE — технология, позволяющая передавать удалённому устройству вместе с данными электрическую энергию через стандартную витую пару в сети Ethernet. Данная технология предназначается для IP-телефонии, точек доступа беспроводных сетей, Web-камер, сетевых концентраторов и других устройств, к которым нежелательно или невозможно проводить отдельный электрический кабель [2].
Технология PoE описана в стандарте IEEE 802.3af, определяющем два основных типа оборудования: PSE (питающее) и PD (питаемое). PSE, согласно стандарту, подает в линию напряжение, равное 48 В. Часть электроэнергии теряется при прохождении медных линий кабельной проводки, а ее оставшаяся часть подводится к удалённым устройствам. Полезная мощность, поступающая к питаемым устройствам, не превышает 15 Вт. Существует два основных типа устройств PSE: оконечные и промежуточные. Примером оконечного устройства PSE является коммутатор PoE. Оконечные устройства PSE подают электропитание либо по витым парам 1-2 и 3-6, либо по парам 4-5 и 7-8 и могут работать в сетях 10/100/1000Base-T. Промежуточные PSE, или инжекторы, размещаются между традиционными коммутаторами и PD. Стандарт разрешает подачу электропитания с инжекторов только по витым парам 4-5 и 7-8, которые при этом запрещается использовать для передачи данных. Таким образом, инжекторы могут использоваться только в сетях 10/100Base-T. Существующие инжекторы для сетей 1000Base-T не поддерживаются стандартом 802.3af. Несмотря на все преимущества использования стандартизованной по 802.3af технологии PoE, существуют и явные недостатки, например: - высокая дополнительная стоимость устройств с функцией PoE (802.3af); - высокая потребляемая мощность коммутаторов PoE по сравнению с обычными, что может потребовать дополнительных вложений в инфраструктуру электропитания оборудования. Поэтому выпускаются альтернативные решения, называемые "Passive PoE", в виде промежуточного комплекта адаптеров "Инжектор + Сплиттер", которые могут поддерживать только электрические характеристики соответствия стандарту 802.3af, но не протокольные. Инжекторы в таких комплектах могут иметь (Planet POE-100, D-Link) или не иметь встроенный блок питания.
Пассивный комплект PPoE-Light состоит из двух адаптеров: Инжектора (Injector) и Сплиттера (Splitter). Эффективен для использования в существующей сетевой инфраструктуре, позволяя применять технологию PoE для устройств, не оснащенных данной функцией изначально. Комплект PPoE обеспечивает подачу напряжения питания через стандартную витую пару для удалённых устройств типа беспроводных точек доступа, IP-телефонов, IP-камер, медиаконвертеров, устройств считывания данных и др. Питание подается по свободным витым парам 4-5 и 7-8, которые не используются для передачи данных. В комплект PPoE не входит какой-либо блок питания (БП), так как предполагается, что в большинстве случаев можно использовать штатный БП, входящий в комплектацию устройства. длина кабеля может достигать максимальных 100 м. Разумеется, это во многом зависит от параметров штатного БП, потребляемого устройством тока и потерь в кабеле. Для компенсации этих потерь на большом расстоянии достаточно заменить штатный БП на более мощный, с напряжением от 12 до 48 вольт.
Рис.7. Power Over Ethernet HUB
Технология подачи электропитания через Ethernet — это привлекательный альтернативный способ электропитания сетевых устройств. Причем ее применение возможно как при организации новых сетей, так и при модернизации существующих. Чаще всего при модернизации сети требуется установка активного оборудования именно там, где нет поблизости источника питания и электрических розеток. Благодаря стандарту IEEE 802.3af появляется возможность установки оборудования в наиболее подходящих для этого местах, невзирая на отсутствие электропроводки. Например, можно установить точку доступа Wi-Fi в месте наилучшего приема сигнала, даже если там нет электрических розеток, или разместить IP-камеру в удобном для обзора месте. PoE позволяет не только существенно сэкономить на стоимости силовых кабелей и прочих компонентах, но и сократить время установки оборудования Ethernet.
В 1965 году, Гордон Мур, один из основателей корпорации Intel сформулировал «закон Мура». [4] Согласно этому наблюдение количество транзисторов, размещаемых на кремниевом кристалле, удваивается приблизительно каждые два года. Данная тенденция сохраняется на протяжении более чем 45 лет, благодаря появлению всё более и более сложных технологических процессов. Сейчас активно используется 22 нм, 16 нм, 14 нм, и в планах развитие техпроцесса 10 нм к 2018 году. [5]
Если подобная тенденция сохранится, то к 2022 году количество транзисторов внутри одной микросхемы достигнет триллиона, а число слоев металлизации (используются для формирования связей между транзисторами) достигнет 14-18 штук – это необходимо для того, чтобы эффективно объединить столь огромное число транзисторов в единую систему. [6]
Согласно зависимости, известной как закон Деннарда, при масштабировании техпроцесса в S раз, вычислительная мощность (в идеальных условиях) возрастает как S3. Кроме того, такой рост происходит без дополнительных накладных расходов энергопотребления. Это объясняется тем, что на той же площади помещается в S2 больше транзисторов выполняющих полезную работу, и такие транзисторы могут работать на большей в S раз тактовой частоте. При этом емкость и рабочее напряжение могут быть уменьшены в S раз. [7]
На практике, по мере уменьшения технологического процесса, растут токи утечки, протекающие через закрытый транзистор, что является основным фактором роста энергопотребления, которое в идеальном случае бы не менялось. В результате такого роста, в 2000-х тепловыделение некоторых процессоров приближалось к тому, что можно наблюдать в недрах ядерного реактора, а энергопотребление ассоциировалось скорее со сварочным аппаратом, а не с высокотехнологичным устройством. [8] Необходимость оставаться в определенных рамках энергопотребления привела к появлению ограничения называемого Utilization Wall, согласно которому с каждым новым техпроцессом и в отсутствие радикальных технологических изменений, доля площади кристалла, задействованной в активной работе (буквально, где могут переключаться транзисторы) убывает экспоненциально. Причем эта площадь измеряется единицами или даже долями процентов.
Рис.8. Utilization Wall
В случае тёмного кремния, Deus Ex Machina мог бы стать научный прорыв в полупроводниковой технологии. Однако, подобные прорывы должны быть достаточно фундаментальными. И, скорее всего, в недалеком будущем подобный прорыв потребует использования транзисторов отличных от традиционной MOSFET технологии. Причиной является то, что токи утечки определяются фундаментальными физическими принципами. Хотя такие инновации как изобретение FinFET / Tri-Gate транзисторов или использование High-K диэлектриков и т.д., представляют значительные достижения. Но являются скорее одноразовыми улучшениями, а не масштабируемыми изменениями. [11] Разработки технологий, способных прийти на смену MOSFET ведутся уже давно. Два потенциальных и (на данный момент) наиболее перспективных кандидата: это TFET-транзисторы и нано-электро-механические переключатели. Есть причины считать, что обе эти технологии могут обеспечить уменьшение токов утечки на порядки, по сравнению с используемыми сейчас решениями, но, при этом, они всё еще очень далеки от промышленного использования.
Из-за роста токов утечки по мере масштабирования техпроцесса, многоядерность микропроцессоров не может далее масштабироваться так же, как уменьшается занимаемая одним ядром площадь кристалла. При этом «темный» или «тусклый» кремний – экспоненциально более дешевый ресурс с точки зрения энергопотребления. Это заставляет обратиться к архитектурным решениям, позволяющим «расходовать» площадь кристалла, чтобы «приобрести» энергоэффективность.
Отмечается, что производители готовы пойти на сокращение размеров процессоров, чтобы избавиться от «темного» кремния. Майкл Тейлор считает данный подход наименее вероятным. По его мнению, если уменьшение процессоров в размере и будет иметь место, то лишь для малого числа продуктов, которые не смогут эффективно использовать площади «темного» кремния. Сразу заметим, что транзисторы, входящие в часть «темного» кремния, могут быть рабочими, выполняя какие-то специфические функции. Это позволяет добиться более высокой производительности в отдельных случаях. В качестве примера можно привести блоки SIMD SSE на x86 процессорах, а также увеличение кэш-памяти последнего уровня. Так, блоки SIMD SSE не используются при выполнении нерегулярных задач, а кэш-память последнего уровня не дает никакого прироста производительности в потоковых приложениях. Тут же стоит отметить, что блоки SIMD SSE и кэш последнего уровня работают не все время даже в тех приложениях, в которых они обеспечивают прирост производительности. Еще одна причина, по которой производство скорее всего не придет к сокращению размеров чипов, является экономической. Многие считают, что производство более мелких процессоров выгодно с экономической точки зрения. Если брать в расчет исключительно затраты на материалы для меньших чипов — то да, выгода есть. Более того, у таких процессоров меньше токи утечки. Однако в то же время то, что чипы являются экспоненциально меньшими, вовсе не означает, что они экспоненциально дешевле. Если принимать во внимание все аспекты их производства, мы придем к тому, что из-за затрат на разработку, изготовление масок, тестирования, маркетинга и прочих подобных вещей возрастет и стоимость квадратного миллиметра кремния, сделав переход к новому поколению отнюдь не выгодным. К тому же у меньших по размерам процессоров острее стоит вопрос рассеивания тепла. При экспоненциальном сокращении площади процессора его тепловыделение вырастает также экспоненциально. Это приводит к тому, что для сохранения рамок TDP приходится урезать производительность чипа.
Здесь рассмотрим несколько методов проектирования, связанных с использованием «тусклого» кремния.
- Near-Threshold Voltage процессоры
Один из недавно возникших подходов — это использование логики, работающей на пониженных уровнях напряжения, близких к порогу срабатывания (Near-Threshold Voltage, NTV) [14]. Логика, работающая в таком режиме, хоть и проигрывает в абсолютных показателях производительности, но даёт лучшие показатели на единицу потребляемой мощности.
- Увеличение кэша
Часто предлагаемая альтернатива — просто использовать темные области кремния для размещения кэша. Ведь можно легко себе представить рост кэша со скоростью 1.4-2х на каждое поколение техпроцесса. Больший кэш для задач с частыми кэш-промахами может улучшить как производительность, так и экономичность – обращение к памяти за пределами чипа требует много энергии. Частота кэш-промахов в основном и определяет целесообразность увеличения кэша. Согласно недавнему исследованию, оптимальный объем кэша определяется точкой, где производительность системы перестает быть ограниченной пропускной способностью и становится ограниченной по потребляемой мощности. Однако интерфейсы с внекристальной памятью становятся всё более энергоэффективны, а 3D-интеграция памяти ускоряет обращение к ней. Это, вероятно, сократит в будущем выигрыш от больших объемов кэша.
Рис.9. Зависимость производительности от объема кэша при различных ограничениях
Один из подходов, позволяющих эффективнее расходовать площадь в обмен на энергоэффективность, это использование тёмного кремния для реализации специализированных блоков (сопроцессоров), каждый из которых на конкретной задаче либо намного быстрее, либо намного энергоэффективнее (порядка 100-1000 раз), чем процессоры общего назначения. Ну а выполнение необходимых действий можно распределять между сопроцессорами и ядрами общего назначения наиболее предпочтительным образом. В то же время, неиспользуемые в данный момент блоки сопроцессоров могут быть полностью выключены для экономии энергии. уже сегодня широко распространены специализированные ускорители для таких задач, как, например, обработка, графики, компьютерное зрение, кодирование видео и других. Эти ускорители позволяют на порядки повысить производительность и энергоэффективность, особенно для высокопараллельных вычислений.
Проблема энергопотребления в различных цифровых устройствах, компьютерах и МЭС остро стоит в настоящее время. Поэтому в ходе этой работы были рассмотрены различные технологии, позволяющие уменьшать потребление энергии. |
