隨著過去20年計算的突飛猛進(jìn)，及其對商業(yè)、教育、科研、醫(yī)療機(jī)構(gòu)及其他行業(yè)帶來的社會效益，計算的能源和環(huán)境足跡也相應(yīng)地增加。全球30億臺個人電腦每 年消耗的能量超過總能耗的的1%；全球3，000萬臺服務(wù)器將再增加1.5%的總用電量，每年耗費約140億至180億美元。

　　由于全球上網(wǎng)用戶越來越多，據(jù)預(yù)測到2018年，全球數(shù)據(jù)中心的總占地面積將從2013年的15億平方英尺增加到近20億平方英尺。這些計算中心的服務(wù)器不僅會連接到個人電腦、電話和平板電腦，還會連接到大量新型聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和系統(tǒng)。盡管可能會與預(yù)期有所出入，但保守估計，到2020年將會有近260億臺包含可穿戴計算機(jī)和工業(yè)傳感器在內(nèi)的各種設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)。這就意味著互聯(lián)網(wǎng)流量會大幅增加，預(yù)計到2015年將會從2010年的245EB增加到1，000EB。

　　與用戶對高能效性能的需求相結(jié)合，智能手機(jī)、平板電腦和游戲機(jī)等將被用于計算密集型任務(wù)中，比如流媒體、視覺體驗效果更豐富的游戲和增強(qiáng)現(xiàn)實。同時，在視 頻編輯、語音和手勢識別及基于生物特征信息的數(shù)據(jù)安全等方面，用戶對便攜式電腦和臺式電腦的需求也不斷升溫。這些因素強(qiáng)力推動著提高處理器性能同時降低能 耗的技術(shù)創(chuàng)新。

　　能源效率的現(xiàn)狀

　　能源效率是數(shù)字移動革命的主要推動因素之一。20世紀(jì)40年代至今，計算效率提高了好幾個數(shù)量級，因此筆記本電腦、平板電腦和手機(jī)在電池充滿電的條件下可 以持續(xù)工作幾個小時。由于電池技術(shù)的發(fā)展速度明顯落后于計算性能的增長速度，移動設(shè)備制造商只能集成多項技術(shù)來延長電池的續(xù)航時間。比如，智能手機(jī)和筆記 本電腦在空閑一定時間后會自動進(jìn)入休眠狀態(tài)。

　　如下這些改進(jìn)將具有深遠(yuǎn)的影響：假如美國境內(nèi)銷售的計算機(jī)都通過了能源之星認(rèn)證，那么每年可節(jié)約資金10億美元，同時溫室氣體排放量也能減少150億磅，這相當(dāng)于140萬臺汽車一年的排放量。

　　微處理器的電源挑戰(zhàn)

　　20 世紀(jì)80年代和90年代是微處理器性能和計算效率大幅提升的黃金時代。晶體管越來越小，設(shè)計人員可以在單個芯片上集成更多晶體管，處理器的時鐘頻率同 時得到提高，進(jìn)而用戶計算機(jī)的性能得到提高。但是晶體管再小，功率密度基本上保持不變—這種現(xiàn)象被稱為登納德縮放比例定律。這就是說每一代新處理器每單位 計算能力的能耗都會減少至上一代的1/4，同時電壓和電容也相應(yīng)降低。

　　但是，21世紀(jì)初，晶體管仍越來越小，單個芯片上可集成的晶體管數(shù)量仍在增加，但能源效益的增速卻在逐漸放緩。主要原因是晶體管的尺寸已接近物理極限。晶 體管越小，制造過程中漏電的可能性就越大，因為晶體管的閾值電壓已經(jīng)降低到器件不完全關(guān)斷的點。登納德縮放比例定律中的這一完結(jié)會增加消費者所期望的高集 成度、高性能器件的功耗，從而需要采用更復(fù)雜的散熱技術(shù)和創(chuàng)新的電源管理技術(shù)。

　　這最終導(dǎo)致半導(dǎo)體制造商不能單純依靠工藝的改進(jìn)來提高能源效率。此外，即使工程師保持摩爾定律與其歷史性能軌跡相吻合，也同樣需要探索新技術(shù)，來讓能源效率的增長速度媲美早期的增長速度。

　　AMD 25×20計劃

　　AMD 的工程師認(rèn)真研究了上述趨勢和降低信息技術(shù)對環(huán)境影響的市場需求，以及延長電池壽命和提高更加輕薄小巧產(chǎn)品性能的需求。因此，過去幾年他們大大提高 了AMD處理器的性能。AMD認(rèn)識到不能滿足于現(xiàn)狀，因此在2014年6月提出了到2020年實現(xiàn)加速處理器（APU）能效提高25倍的目標(biāo)，或 “25×20”計劃。

　　AMD使用平臺性能除以典型應(yīng)用能耗獲得的典型應(yīng)用效率指數(shù)，來實現(xiàn)每單位能耗執(zhí)行工作的單次測量。通過使用曲線， 可以清楚地看到典型應(yīng)用實際上是由空閑功耗而非峰值計算功耗所主導(dǎo)。目前有許多電源相關(guān)的創(chuàng)新技術(shù)，可以在不影響性能的前提下最大限度地增加空閑時間，降 低空閑功耗。當(dāng)然，性能是一個關(guān)鍵參數(shù)—用戶希望獲得快速響應(yīng)、快速運算和無縫視頻回放。他們還希望擁有更長的電池續(xù)航時間、更輕薄小巧的尺寸和更小的環(huán) 境影響。只要能優(yōu)化典型應(yīng)用的能效，上述問題就可以迎刃而解。

　　要實現(xiàn)25x20目標(biāo)，就必須通過開使用技術(shù)和新方法大幅提高典型應(yīng)用效率的提升速度。根據(jù)這一目標(biāo)，從2014到2020年，AMD產(chǎn)品功耗的降低至少 要比摩爾定律預(yù)測的歷史效率趨勢高出70%。這就是說到2020年，一臺計算機(jī)完成同一項任務(wù)的用時將是目前個人電腦的1/5，而平均用電量也將不到目前 個人電腦的1/5。這就好比僅用六年時間就將原來100馬力的汽車變身為一輛500馬力的汽車，同時每加侖燃料的行駛距離也從原來的30英里增加到150 英里。

　　實現(xiàn)25x20目標(biāo)

　　架構(gòu)創(chuàng)新 幾十年來，CPU一直用來運行一般的編程任務(wù)。它擅長于利用分支預(yù)測和亂序執(zhí)行等各種復(fù)雜技術(shù)來串行運行計算指令，從而提高速度。相反，圖形處理器 （GPU）是專用加速器，最早是為了在顯示屏上同時顯示數(shù)百萬個像素而設(shè)計的。GPU通過使用較簡單的執(zhí)行流水線并行執(zhí)行計算來實現(xiàn)這個過程。以 前，CPU和GPU雖然集成度越來越高，但卻是相互獨立運行。

　　AMD加速處理器（APU）將CPU和GPU集成配置到同一硅片上。這樣做會帶來許多優(yōu)勢，比如可以通過共享內(nèi)存接口、供電和散熱基礎(chǔ)架構(gòu)來提高效率。 GPU并行執(zhí)行提高了自然用戶界面和模式識別等許多工作負(fù)載的處理效率，并且在GPU與CPU協(xié)同使用時，這些工作負(fù)載的執(zhí)行效率能夠提高數(shù)倍。優(yōu)化 GPU和CPU并行操作可以最大限度地提高設(shè)備的性能，縮短任務(wù)用時，并且提高進(jìn)入節(jié)能模式的頻率。

　　一個長期面臨的挑戰(zhàn)是軟件開發(fā)人員難于編寫充分利用CPU和GPU的應(yīng)用程序。傳統(tǒng)上，這兩種處理器分別具備獨立的內(nèi)存系統(tǒng)。這就是說無論何時CPU想利 用GPU，它都得將數(shù)據(jù)從它的內(nèi)存中復(fù)制到GPU的內(nèi)存中。這使應(yīng)用程序的編寫不僅效率低下而且困難，因此GPU一般只能用于大數(shù)據(jù)集的應(yīng)用中。此外，獨 立內(nèi)存還會增加用電量，因為處理器會經(jīng)常將緩存數(shù)據(jù)在CPU和GPU之間轉(zhuǎn)移。

　　通過AMD最新開發(fā)的異構(gòu)統(tǒng)一內(nèi)存訪問 （hUMA），CPU和GPU可以共享同一個內(nèi)存。二者可以訪問所有的平臺內(nèi)存，并且還可以將數(shù)據(jù)分配到系統(tǒng)內(nèi)存空 間的任意位置。這種共享內(nèi)存架構(gòu)大大降低了編程的復(fù)雜性，其原因是軟件開發(fā)人員不用再指出數(shù)據(jù)的緩存位置，而這個操作容易出現(xiàn)錯誤，進(jìn)而會導(dǎo)致很難檢測和 修復(fù)的漏洞。

　　統(tǒng)一內(nèi)存架構(gòu)的優(yōu)勢顯而易見，這使軟件開發(fā)人員可以流暢運用Java、C++ AMP和Python等高級語言來利用GPU的并行處理功能，從而提高性能和效率。最近的一個主流視頻和圖片編輯程序的運行結(jié)果表明，若將GPU的并行處 理與CPU相呼應(yīng)，最高可將某些功能的性能提高17倍。然而，由于GPU和CPU共享電源/熱基礎(chǔ)架構(gòu)，電源需求與單獨使用CPU時相等。

　　hUMA 是AMD 異構(gòu)系統(tǒng)架構(gòu)（HSA）實現(xiàn)的一部分。當(dāng)按照HSA架構(gòu)設(shè)計和編程時，這樣的電源和性能提升可以擴(kuò)展到其他的固定功能設(shè)備，比如數(shù)字信號處理器（DSP）或安全處理器。

　　代號為“Carrizo”的AMD處理器是行業(yè)內(nèi)第一款符合異構(gòu)系統(tǒng)架構(gòu)基金會（HSA Foundation）HSA 1.0規(guī)范的處理器。該架構(gòu)大大降低了編程難度，同時提高了低功耗下的應(yīng)用性能。

　　高電源效率硅技術(shù) 計算機(jī)工作負(fù)載的變化，將會對微處理器的用電量產(chǎn)生影響。工作負(fù)載（比如復(fù)雜的服務(wù)器事務(wù)或視頻渲染）需求越大，處理器吸取的電流越 大，然后當(dāng)需求減少時，電流則會降低。電流突變會導(dǎo)致芯片供電電壓發(fā)生嚴(yán)重波動。為了解決電壓下降的問題，微處理器設(shè)計人員一般會提供大約10%～15% 的額外電壓，以確保處理器電壓始終充足。但過電壓又會以能耗為代價，因為其浪費的電力與電壓增長的平方成正比（即10%的過電壓會造成20%的電力浪 費）。

　　AMD 研發(fā)了多項技術(shù)來優(yōu)化電壓。其最新的處理器配置了電壓跟蹤電路， 以納秒級的精度對平均電壓與電壓下降進(jìn)行比較。通過在平均電壓下運行，然后短暫地快速降頻來抵消供電電壓的驟降，它可以恢復(fù)大部分被浪費的電力。由于頻率 調(diào)整可以以納秒級的水平完成， 計算性能幾乎不會受到影響， 而功耗則會減少10%～20%。從“Carrizo”APU開始，CPU和GPU就都采用了自適應(yīng)電壓運算功能。

　　Carrizo首創(chuàng)的另一項電源技術(shù)名為自適應(yīng)電壓與頻率調(diào)節(jié)。除了傳統(tǒng)的溫度和功率傳感器，該技術(shù)實現(xiàn)了獨特的專利硅片速度性能傳感器與電壓傳感器。行 業(yè)內(nèi)大多數(shù)人都了解，硅片速度性能和電壓控制會因器件和平臺的不同而存在明顯差異。這些差異傳統(tǒng)上是通過對硅片工作增加裕量或“保護(hù)帶”來應(yīng)對的，因為無 法提前得知準(zhǔn)確的運行情況。相對理論上最優(yōu)系統(tǒng)所能實現(xiàn)的效率，這種保護(hù)帶將會引起顯著的效率損失。得益于AMD首次引入的最新自適應(yīng)傳感器和相關(guān)的控制 算法，大部分的效率損失可以得到減輕。速度與電壓傳感器能夠讓每個APU適應(yīng)于其硅特性、平臺運行和工作環(huán)境。通過實時適配這些參數(shù)，APU可以對運算進(jìn) 行動態(tài)優(yōu)化，最大限度地提高效率，并且在給定性能水平上最多可節(jié)電20%。

　　最后，為了降低CPU的耗電量，AMD利用了與GPU設(shè)計方式更接近的高密度庫。AMD借助這一方案可以在更小的面積內(nèi)集成更多的標(biāo)準(zhǔn)單元（處理器的組成 部分），從而能夠減少面積及單元之間的布線距離，并大幅降低功耗。使用高密度庫通常意味著在相同的電壓下速度會稍有些慢，但如果配置合理，可以將功耗和面 積減少30%。這就是說，在功率受限的條件下（絕大部分都是這種情況），實際的頻率和性能要高于傳統(tǒng)的高性能庫配置。此外，它還能夠釋放出更多芯片空間， 因此AMD可以在同一個芯片上同時搭載GPU（多媒體處理器）和系統(tǒng)控制器。

　　電源管理大部分運算平臺僅在一小段時間內(nèi)以峰值功率運行。為了最大限度地降低功耗，同時又最大限度地提高性能，AMD設(shè)計了電源管理算法，對典型應(yīng)用而非 峰值計算周期進(jìn)行優(yōu)化，因為只有需求最大的工作負(fù)載才會（短暫）達(dá)到峰值計算。因此，race-to-idle技術(shù)可以使計算機(jī)盡可能頻繁地進(jìn)入休眠模 式，從而降低平均能耗。

　　AMD在單芯片上集成了各種系統(tǒng)元器件，包括GPU、內(nèi)存控制器、I/O控制器以及外圍總線。 這樣可以更精確地對電源、溫度和所有系統(tǒng)元器件的活動進(jìn)行監(jiān)測和管理。電源控制器可以直接對CPU和GPU之間的處理進(jìn)行管理，從而優(yōu)化性能和效率。通過 這種程度的控制，它能夠像視頻回放的幀與幀之間或打字時的按鍵之間，或是像網(wǎng)頁加載完成后那樣，頻繁地讓處理器進(jìn)入空閑模式。由于集成元器件的性能提高 了，任務(wù)完成的時間縮短，因此處理器可以在更多時間處于空閑模式—這便形成了一個更高性能和更低功耗協(xié)同提高效率的良性循環(huán)。

　　圖：不同條件下APU的最低功耗。

　　AMD 的電源管理還可以監(jiān)控硅片和終端用戶設(shè)備的溫度。根據(jù)系統(tǒng)元器件的活動，它可以確定個人電腦或移動設(shè)備的溫度，從而判斷對終端用戶來說溫度是否過 高。因此，在計算密集型任務(wù)中，APU可以在保證筆記本電腦或變形筆記本溫度不過高的前提下，通過提高處理器頻率暫時提高輸出功率來提供強(qiáng)大性能。任務(wù)完 成后，功耗會動態(tài)降低，因而器件的溫度也會降低。這一做法可以提高總體能效，因為任務(wù)執(zhí)行速度提高了，設(shè)備可以迅速切換到空閑模式，同時又能提供迅速響應(yīng) 的體驗。

　　此外，電源管理微控制器還可以實時追蹤特定應(yīng)用的運行狀態(tài)，確定提高處理器頻率可以為其帶來多大幫助。不會受益于更高頻率（需要更多能量）的應(yīng)用將工作在低于處理器最大性能的頻率，從而避免能量浪費。

　　AMD 最新的APU中集成的另一項功能是圍繞處理器運行時進(jìn)入極低功耗的S0i3狀態(tài)。該低功耗狀態(tài)的采用因不同的OEM/平臺而異（即可以是聯(lián)網(wǎng)待機(jī)、 現(xiàn)代待機(jī)或掛起到內(nèi)存），但是這種狀態(tài)會讓差不多所有的APU硅片的電源關(guān)斷，同時讓所有相關(guān)的I/O器件也進(jìn)入各自的低功耗狀態(tài)，從而極大地降低平臺的 功耗。圖中展示了在這些條件下APU的電源關(guān)斷。S0i3狀態(tài)使平臺的功耗水平能夠與傳統(tǒng)的S3狀態(tài)（也就是傳統(tǒng)上所說的“待機(jī)”）相當(dāng)—S3狀態(tài)的進(jìn)入 和退出會比較耗時，因為它需要操作系統(tǒng)介入。通過動態(tài)實現(xiàn)這個過程，在集成電源管理微控制器的控制下，假如系統(tǒng)活動水平足夠低，APU就可以以亞秒級的時 間幀透明實現(xiàn)與待機(jī)相當(dāng)?shù)墓乃健＿@直接意味著可以降低典型應(yīng)用條件下的平均功耗。

　　AMD最新推出的產(chǎn)品還具有許多其他面向效率的功能，比如視頻和音頻加速，AMD開發(fā)路線涵蓋了自適應(yīng)I/O優(yōu)化和壓縮技術(shù)、更精確的電壓管理和基于工作負(fù)載的能耗優(yōu)化等。