展望未來:從計算機到雲端的能源效率

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上個月,麻省理工學院的《技術評論》報道了一項新進展,計算機的能源效率大約每18個月翻一番

這個結論得到了六十年資料的支援,與摩爾定律相呼應,即英特爾創始人戈登·摩爾的觀察,計算機處理能力大約每18個月翻一番。但是,隨著電池供電裝置——手機、平板電腦和感測器——的普及,功耗趨勢可能比摩爾定律更重要。

斯坦福大學土木與環境工程諮詢教授、首席研究員喬納森·庫米博士的這項發展,在科技部落格上引起了廣泛的興奮。我最喜歡的是亞歷克西斯·馬德里加爾在《大西洋月刊》上做的這個思想實驗


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想象一下,你有一臺閃亮的新電腦,它與Macbook Air完全相同,只是它的能源效率與20年前的機器一樣。那臺電腦會消耗如此多的電力,以至於Air的50瓦時電池只能持續2.5秒,而不是Air實際能達到的7小時。也就是說,你需要10,000塊Air電池才能讓我們的假設機器執行七個小時。你不可能把這樣一個龐然大物塞進一個纖薄的郵寄信封裡。

有趣。我認為,如果你向前看計算機行業的未來發展方向,事情會變得更有趣。隨著iPhone和iPad等裝置的出現,計算已經從辦公桌轉移到我們的口袋裡,這很大程度上得益於能源效率的提高。而向基於雲計算的計算和資料服務(想想 Wolfram Alpha 或 Netflix)的轉變,正在為能源效率創造機會。

最近,我給庫米博士發了電子郵件,詢問了他的發現(非正式地稱為庫米定律)以及它如何成為未來創新的主要因素。

在您的論文中,您寫道,效能提升的主要驅動力是縮小電晶體尺寸。還有其他技術或創新為效能提升做出了貢獻嗎?我想到的是片上系統,或者軟體中改進的能源管理功能。還是硬體改進是主要驅動力?

最近影響效能的最大創新是轉向多核,這使得計算機能夠在相同的功率範圍內提高效能。當然,這意味著軟體設計人員必須重新設計他們的軟體以充分利用這一優勢,這與最近依賴硬體改進來提高效能的做法大相徑庭。

整合技術(如片上系統)當然有助於效能。事實上,整合越來越多的功能(用晶片上的矽代替獨立的元件)對電源效率和效能都產生了不小的影響。隨著技術的成熟,總體趨勢是朝著更高的整合度發展,這都是好事。

改進管理能源的軟體(即睡眠和其他低功耗模式)對於影響計算機空閒時的功耗(對於大多數系統來說,大部分時間都是空閒的)非常重要,但我們在論文中沒有關注這一點。

您還提到,美國環保署的能源之星計劃對辦公裝置的用電量產生了重大影響,因為筆記型電腦的低功耗創新被應用到了臺式電腦中。隨著移動裝置/手機和平板電腦的快速創新,您是否看到知識從移動裝置迴流到傳統計算機(如筆記型電腦和臺式電腦)的類似轉移?

看看來自低功耗移動裝置的知識是否會反哺到更傳統的計算機,這將很有趣。您已經開始看到使用固態硬碟代替標準硬碟的筆記型電腦(如Macbook Air)。有些甚至像手機和平板電腦一樣,使用快閃記憶體RAM而不是普通RAM。我們只需要看看這種轉變發生的速度有多快,但我認為消費者會越來越期望計算機的功能更像基於觸控的平板電腦和手機,而不那麼像傳統的計算機,這將推動供應商採用更節能的技術,從而實現更高的功能性。

隨著消費者越來越依賴資料中心來獲得許多服務(Netflix 流媒體、Apple iCloud、Facebook、Google 搜尋等),資料中心的能源效率有多重要?資料中心的能源效率方面是否有任何重大突破或創新?

雲計算代表了資料中心效率的巨大飛躍。我在這裡寫了造成這種情況的 4 個原因:http://www.koomey.com/post/8014999803

雲提供商具有規模經濟、靈活性、多樣性以及使使用者能夠輕鬆轉移到雲端的能力,而無需面對其內部 IT 組織所面臨的棘手的制度問題。例如,谷歌的資料中心的“開銷”約為每千瓦時計算負載 0.15 千瓦時,而對於那些計算不是其核心業務的公司來說,典型的“內部”資料中心更接近於每千瓦時計算負載 0.8 或 0.9 千瓦時。這在能源使用和成本方面都存在巨大差異。

您對哪些技術或創新感到興奮或期待?您還有什麼想補充的嗎?

對我來說,最令人興奮的發展是在移動感測器和控制領域。隨著用越來越少的功率進行少量計算成為可能,越來越多的此類應用將變得可行,我們將能夠更精細地定製產品以滿足消費者的實際需求。我們還將看到資料爆炸式增長,其規模是我們大多沒有準備好的,並且在幫助公司篩選這些資料方面將存在機會。這一切都與麻省理工學院的埃裡克·布林約爾弗森教授所稱的“物聯網”的出現有關。

您可以透過訪問庫米博士的網站 www.koomey.com 來關注他的工作

David Wogan is an engineer and policy researcher who writes about energy, technology, and policy.

David's academic and professional background includes a unique blend of technology and policy in the field of energy systems. Most recently, David worked at Austin Energy, a Texas municipal utility, implementing a Department of Energy stimulus grant related to energy efficiency. Previously, David was a member of the Energy & Climate Change team at the White House Council on Environmental Quality for the Obama Administration.

David holds two Master's degrees from The University of Texas at Austin in Mechanical Engineering and Public Affairs. While at UT, David was a researcher in the Webber Energy Group, where his research focused on advanced biofuel production to offset petroleum use in the transportation sector. David holds a Bachelor's of Science degree in Mechanical Engineering from The University of Texas at Austin, where he researched nuclear non-proliferation measurement technology.

David is a 2013 Aspen Institute Journalism Scholar, joining a select group of journalists from Slate, ABC News, and The New York Times.

David lives in Austin, Texas. Follow along on Twitter or email him at david.wogan@me.com.

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