الأداء لكل واط

الموسوعة الحرة

في مجال الحوسبة ، يُعدّ الأداء لكل واط مقياسًا لكفاءة استهلاك الطاقة في بنية حاسوبية أو مكونات حاسوبية محددة . بمعنى آخر، يقيس هذا المقياس معدل العمليات الحسابية التي يُمكن للحاسوب إنجازها مقابل كل واط من الطاقة المستهلكة. ويُقاس هذا المعدل عادةً من خلال الأداء على معيار LINPACK عند مقارنة أنظمة الحوسبة المختلفة، ومن الأمثلة على ذلك قائمة Green500 لأجهزة الحاسوب العملاقة. وقد اقتُرح استخدام الأداء لكل واط كمقياس للحوسبة المستدامة. [ 1 ]

غالباً ما يختار مصممو الأنظمة الذين يبنون أجهزة كمبيوتر متوازية وحدات المعالجة المركزية بناءً على أدائها لكل واط، لأن تكلفة تشغيل وحدة المعالجة المركزية تفوق تكلفة وحدة المعالجة المركزية نفسها. [ 2 ]

تُفرض قيود صارمة على أقصى طاقة متاحة لأجهزة الكمبيوتر المستخدمة في رحلات الفضاء، كما تُفرض متطلبات صارمة على الحد الأدنى من الأداء في الوقت الفعلي. وتُعدّ نسبة سرعة المعالجة إلى الطاقة الكهربائية المطلوبة أكثر فائدة من سرعة المعالجة الخام. [ 3 ]

تعريف

تعتمد مقاييس الأداء واستهلاك الطاقة المستخدمة على التعريف؛ ومن المقاييس المعقولة للأداء: عدد عمليات الفاصلة العائمة في الثانية (FLOPS )، أو عدد التعليمات في الثانية (MIPS) ، أو نتيجة أي معيار أداء . يمكن استخدام عدة مقاييس لاستهلاك الطاقة، وذلك بحسب غرض المقياس؛ فعلى سبيل المثال، قد يقتصر أحد المقاييس على الطاقة الكهربائية المُوَصَّلة مباشرةً إلى الجهاز، بينما قد يشمل مقياس آخر جميع الطاقة اللازمة لتشغيل الحاسوب، مثل أنظمة التبريد والمراقبة. غالبًا ما يكون قياس الطاقة هو متوسط ​​الطاقة المُستخدَمة أثناء تشغيل المعيار، ولكن يمكن استخدام مقاييس أخرى لاستهلاك الطاقة (مثل ذروة الطاقة، وطاقة وضع الخمول).

على سبيل المثال، كان حاسوب UNIVAC I المبكر يُجري حوالي 0.015 عملية لكل واط-ثانية (أي 1905 عملية في الثانية، باستهلاك 125  كيلوواط). أما نظام معالج Fujitsu FR-V VLIW / Vector المدمج في شريحة واحدة ، بنسخة FR550 رباعية النوى التي صدرت عام 2005، فيُجري 51 جيجا-عملية في الثانية باستهلاك 3 واط من الطاقة، ما ينتج عنه 17 مليار عملية لكل واط-ثانية. [ 4 ] [ 5 ] وهذا يُعد تحسناً بأكثر من تريليون مرة خلال 54 عاماً.

يُحوّل معظم الطاقة التي يستهلكها الحاسوب إلى حرارة، لذا فإن النظام الذي يستهلك طاقة أقل لإنجاز مهمة ما سيحتاج إلى تبريد أقل للحفاظ على درجة حرارة تشغيل معينة . ويُسهّل انخفاض متطلبات التبريد خفض مستوى ضجيج الحاسوب . كما يُمكن أن يُقلّل انخفاض استهلاك الطاقة من تكلفة تشغيله، ويُخفّض الأثر البيئي لتشغيله (انظر الحوسبة الخضراء ). في حال تركيبه في بيئة ذات تحكم محدود في المناخ ، سيعمل الحاسوب ذو الطاقة المنخفضة عند درجة حرارة أقل، مما قد يجعله أكثر موثوقية. وفي بيئة مُكيّفة، قد يُؤدي خفض استهلاك الطاقة المباشر إلى توفير في طاقة تكييف الهواء.

يُقاس استهلاك الطاقة الحاسوبية أحيانًا بالإبلاغ عن الطاقة اللازمة لتشغيل معيار أداء معين، مثل EEMBC EnergyBench. وقد تُسهّل أرقام استهلاك الطاقة لحمل عمل قياسي تقييم أثر تحسين كفاءة الطاقة .

عندما يُعرَّف الأداء بأنه عدد العمليات في الثانية ، يمكن كتابة الأداء لكل واط على أنه عدد العمليات لكل واط-ثانية . وبما أن الواط يساوي جول واحد في الثانية ، فيمكن كتابة الأداء لكل واط أيضًا على أنه عدد العمليات لكل جول .

عمليات الفاصلة العائمة لكل واط

نموٌّ هائل في أداء الحواسيب العملاقة لكل واط، استنادًا إلى بيانات قائمة Green500 . تشير الصلبان الحمراء إلى الحاسوب الأكثر كفاءة في استهلاك الطاقة، بينما تشير الصلبان الزرقاء إلى الحاسوب المصنف في المرتبة 500.

يُعدّ معدل عمليات الفاصلة العائمة لكل واط مقياسًا شائعًا. ومثل مقياس عمليات الفاصلة العائمة في الثانية ( FLOPS ) الذي يستند إليه، يُطبّق هذا المقياس عادةً على الحوسبة العلمية والمحاكاة التي تتضمن العديد من عمليات حساب الفاصلة العائمة .

أمثلة

اعتبارًا من يونيو 2016 تُصنّف قائمة Green500 اثنين من أكثر الحواسيب العملاقة كفاءةً في أعلى القائمة - وكلاهما يعتمد على نفس مُسرّع متعدد النوى بتقنية PEZY-SCnp اليابانية بالإضافة إلى معالجات Intel Xeon - وكلاهما في معهد RIKEN ، حيث يتصدر الأول بمعدل 6673.8 ميجا فلوبس/واط؛ ويأتي في المرتبة الثالثة حاسوب Sunway TaihuLight الصيني (وهو جهاز أكبر بكثير، ويحتل المرتبة الثانية في قائمة TOP500 ، أما البقية فليست مدرجة في تلك القائمة) بمعدل 6051.3 ميجا فلوبس/واط. [ 6 ]    

في يونيو 2012، صنّفت قائمة Green500 جهاز BlueGene/Q، Power BQC 16C كأكثر الحواسيب العملاقة كفاءة في قائمة TOP500 من حيث عمليات الفاصلة العائمة لكل واط، حيث بلغ معدل أدائه 2100.88  مليون عملية فاصلة عائمة لكل واط. [ 7 ]

في نوفمبر 2010، حقق جهاز IBM، Blue Gene/Q،  قدرة 1684 ميجا فلوبس/واط. [ 8 ] [ 9 ]

في 9 يونيو 2008، أفادت شبكة CNN أن حاسوب IBM العملاق Roadrunner حقق 376  ميجا فلوبس/واط. [ 10 ] [ 11 ]

كجزء من مشروع أبحاث Intel Tera-Scale ، أنتج الفريق وحدة معالجة مركزية (CPU) بثمانين نواة قادرة على تحقيق أكثر من 16000  ميجا فلوبس/واط. [ 12 ] [ 13 ] ولا يزال مستقبل هذه الوحدة غير واضح.

يعمل نظام Microwulf، وهو عبارة عن مجموعة حاسوبية مكتبية منخفضة التكلفة من نوع Beowulf تتكون من أربعة حواسيب ثنائية النواة من نوع Athlon 64 X2 3800+، بسرعة 58  ميجا فلوبس/واط. [ 14 ]

طوّرت شركة كالراي معالجًا مركزيًا بتقنية VLIW يضم 256 نواة، ويحقق أداءً يصل إلى 25000  ميجا فلوبس/واط. ومن المتوقع أن يحقق الجيل التالي أداءً يصل إلى 75000  ميجا فلوبس/واط. [ 15 ] مع ذلك، في عام 2019، طرحت الشركة أحدث شريحة لها للأنظمة المدمجة، وهي تضم 80 نواة، وتدّعي أنها قادرة على تحقيق أداء يصل إلى 4  تيرافلوب عند استهلاك 20  واط. [ 16 ]

أعلنت شركة Adapteva عن Epiphany V ، وهو معالج RISC ذو 1024 نواة 64 بت يهدف إلى تحقيق 75  GFLOPS/watt، [ 17 ] [ 18 ] على الرغم من أنهم أعلنوا لاحقًا أن Epiphany  V "من غير المرجح" أن يصبح متاحًا كمنتج تجاري.

كفاءة وحدة معالجة الرسومات

استمرت وحدات معالجة الرسومات (GPU) في زيادة استهلاك الطاقة، بينما ركز مصممو وحدات المعالجة المركزية (CPU) مؤخرًا على تحسين الأداء لكل واط. قد تستهلك وحدات معالجة الرسومات عالية الأداء كميات كبيرة من الطاقة، لذا يلزم استخدام تقنيات ذكية لإدارة استهلاك الطاقة. يمكن لمقاييس مثل نتيجة 3DMark2006 لكل واط أن تساعد في تحديد وحدات معالجة الرسومات الأكثر كفاءة. [ 19 ] ومع ذلك، قد لا يعكس ذلك الكفاءة بشكل كافٍ في الاستخدام العادي، حيث يُقضى معظم الوقت في أداء مهام أقل تطلبًا للطاقة. [ 20 ]

مع وحدات معالجة الرسومات الحديثة، يُعدّ استهلاك الطاقة قيدًا هامًا على أقصى قدرات الحوسبة الممكنة. تتميز تصميمات وحدات معالجة الرسومات عادةً بقابلية عالية للتوسع، مما يسمح للمصنّع بوضع رقائق متعددة على بطاقة رسومات واحدة، أو استخدام بطاقات رسومات متعددة تعمل بالتوازي. يُحدّد الأداء الأمثل لأي نظام بشكل أساسي بكمية الطاقة التي يستهلكها وكمية الحرارة التي يُبدّدها. وبالتالي، فإنّ الأداء لكل واط في تصميم وحدة معالجة الرسومات يُترجم مباشرةً إلى الأداء الأمثل للنظام الذي يستخدم هذا التصميم.

بما أن وحدات معالجة الرسومات (GPUs) يمكن استخدامها أيضًا لبعض الحسابات العامة ، فإن أداءها في بعض الأحيان يتم قياسه بمصطلحات تنطبق أيضًا على وحدات المعالجة المركزية (CPUs)، مثل FLOPS لكل واط.

التحديات

على الرغم من أهمية الأداء لكل واط، فإن متطلبات الطاقة المطلقة لا تقل أهمية. قد تُستخدم ادعاءات تحسين الأداء لكل واط للتغطية على تزايد الطلب على الطاقة. فعلى سبيل المثال، مع أن بنى وحدات معالجة الرسومات من الجيل الجديد قد توفر أداءً أفضل لكل واط، إلا أن استمرار تحسين الأداء قد يُلغي مكاسب الكفاءة، وتستمر وحدات معالجة الرسومات في استهلاك كميات كبيرة من الطاقة. [ 22 ]

قد لا تعكس معايير الأداء التي تقيس استهلاك الطاقة تحت الأحمال الثقيلة الكفاءة النموذجية بدقة. فعلى سبيل المثال، يركز برنامج 3DMark على أداء وحدة معالجة الرسومات ثلاثية الأبعاد، لكن العديد من أجهزة الكمبيوتر تقضي معظم وقتها في أداء مهام عرض أقل كثافة (مهام ثنائية الأبعاد في وضع الخمول، عرض الفيديو). لذا، قد تكون كفاءة نظام الرسومات في وضع ثنائي الأبعاد أو في وضع الخمول بنفس أهمية كفاءة الطاقة الإجمالية. وبالمثل، لا يمكن وصف الأنظمة التي تقضي معظم وقتها في وضع الاستعداد أو الإيقاف البرمجي بدقة من خلال كفاءتها تحت الحمل فقط. ولمعالجة هذه المشكلة، تتضمن بعض معايير الأداء، مثل SPECpower ، قياسات عند مستويات تحميل متعددة. [ 23 ]

تنخفض كفاءة بعض المكونات الكهربائية، مثل منظمات الجهد ، مع ارتفاع درجة الحرارة، وبالتالي قد يزداد استهلاك الطاقة مع ارتفاع درجة الحرارة. وتُعدّ وحدات التزويد بالطاقة واللوحات الأم وبعض بطاقات الفيديو من بين الأنظمة الفرعية المتأثرة بذلك. وقد يعتمد استهلاكها للطاقة على درجة الحرارة، لذا يجب مراعاة درجة الحرارة أو اعتمادها عليها عند القياس. [ 24 ] [ 25 ]

لا يشمل معدل الأداء لكل واط عادةً تكاليف دورة الحياة الكاملة . ونظرًا لأن تصنيع الحواسيب يستهلك كميات كبيرة من الطاقة، ولأن عمر الحواسيب غالبًا ما يكون قصيرًا نسبيًا، فإن الطاقة والمواد المستخدمة في الإنتاج والتوزيع والتخلص وإعادة التدوير غالبًا ما تشكل أجزاءً كبيرة من تكلفتها واستهلاكها للطاقة وتأثيرها البيئي. [ 26 ] [ 27 ]

غالباً ما لا يتم احتساب الطاقة اللازمة للتحكم في مناخ بيئة الكمبيوتر في حساب استهلاك الطاقة بالواط، ولكنها قد تكون كبيرة. [ 28 ]

تدابير أخرى لكفاءة الطاقة

SWaP (المساحة، الطاقة، والأداء) هو مقياس لشركة Sun Microsystems لمراكز البيانات ، ويشمل الطاقة والمساحة:

SدبليوأP=PهـروoرمأنجهـSصأجهـ⋅Powهـر،{\displaystyle \mathrm {SWaP} ={\frac {\mathrm {Performance} }{\mathrm {Space} \cdot \mathrm {Power} }},}

حيث يتم قياس الأداء بواسطة أي معيار مناسب، والمساحة هي حجم الكمبيوتر. [ 29 ]

يُعدّ تقليل الطاقة والكتلة والحجم أمراً بالغ الأهمية أيضاً لأجهزة الكمبيوتر المستخدمة في رحلات الفضاء. [ 3 ]

انظر أيضاً

معايير كفاءة الطاقة
آخر

ملاحظات ومراجع

  1. ↑ "الأداء لكل واط هو قانون مور الجديد" . Arm Blueprint . 12 يوليو 2021. تم الاطلاع عليه بتاريخ 16 يوليو 2021 .
  2. ↑ تحذير من جوجل: قد تكلف الطاقة أكثر من تكلفة الخوادم، سي نت، 2006
  3. 1 2 دي جي شيرلي؛ وإم كي ماكليلاند. "حاسوب رحلات الفضاء SC-7 RISC من الجيل التالي" . ص 1، 2.
  4. ↑ «فوجيتسو تُطوّر معالجًا متعدد النوى لمنتجات المستهلك الرقمية عالية الأداء» (بيان صحفي). فوجيتسو. 7 فبراير 2020. مؤرشف من الأصل في 25 مارس 2019. تم الاطلاع عليه في 8 أغسطس 2020 .
  5. ↑ معالج FR-V أحادي الشريحة متعدد النوى: FR1000، مؤرشف بتاريخ 2015-04-02 في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine) من شركة فوجيتسو
  6. ↑ "قائمة Green500 لشهر يونيو 2016" .
  7. ↑ "قائمة Green500" . Green500 . مؤرشف من الأصل في 3 يوليو 2012.
  8. ↑ "قائمة أفضل 500 حاسوب فائق تكشف عن اتجاهات الحوسبة" . 20 يوليو 2010. شركة IBM... نظام BlueGene/Q... يحقق رقماً قياسياً في كفاءة الطاقة بقيمة 1680 ميغا فلوبس/واط، أي أكثر من ضعف أفضل نظام تالٍ. 
  9. ↑ "أبحاث شركة IBM فائز واضح في قائمة Green 500" . 18 نوفمبر 2010.
  10. ↑ «الحكومة تكشف النقاب عن أسرع حاسوب في العالم» . سي إن إن . مؤرشف من الأصل في 10 يونيو 2008. يقوم بإجراء 376 مليون عملية حسابية لكل واط من الكهرباء المستخدمة.
  11. ↑ "جهاز IBM Roadrunner يحصد الميدالية الذهبية في سباق البيتافلوب" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 13 يونيو 2008.
  12. ↑ "إنتل تستخرج 1.8 تيرافلوب من معالج واحد" . تي جي ديلي . مؤرشف من الأصل في 3 ديسمبر 2007.
  13. ↑ "شريحة بحثية بقدرة تيرافلوبس" . قسم التكنولوجيا والبحوث في شركة إنتل .
  14. ↑ جويل آدامز. "مايكروولف: كفاءة الطاقة" . مايكروولف: مجموعة بيوولف شخصية محمولة .
  15. ↑ "MPPA MANYCORE - معالجات متعددة النوى - KALRAY - أداء رشيق" .
  16. ↑ "كالراي تعلن عن إطلاق معالج كوليدج بتقنية تصنيع TSMC 16 نانومتر" . كالراي . 31 يوليو 2019. تاريخ الاطلاع: 12 أغسطس 2019 .
  17. ↑ أولوفسون، أندرياس. "إبيفاني-5: معالج RISC ذو 1024 نواة و64 بت" . تم الاطلاع عليه بتاريخ 6 أكتوبر 2016 .
  18. ↑ أولوفسون، أندرياس. "إبيفاني-5: معالج 1024، نظام RISC على شريحة 64 بت" (ملف PDF) . تم الاطلاع عليه بتاريخ 6 أكتوبر 2016 .
  19. ↑ أتوود، جيف (18 أغسطس 2006). "استهلاك الطاقة لبطاقة الفيديو" . مؤرشف من الأصل في 8 سبتمبر 2008. تم الاطلاع عليه في 26 مارس 2008 .
  20. ↑ "استهلاك الطاقة لبطاقة الفيديو" . مختبرات إكسبت . مؤرشف من الأصل في 4 سبتمبر 2011.
  21. ↑ "تنبيه: الأداء لا يتناسب طرديًا مع استهلاك الطاقة (أي اختبار معالج M1 مقابل معالج Zen 3 5600X عند نفس استهلاك الطاقة)" . 29 نوفمبر 2020.
  22. ↑ تيم سمولي. "الأداء لكل ماذا؟" . بت تك . تم الاطلاع عليه بتاريخ 21 أبريل 2008 .
  23. ↑ "SPEC تطلق معيارًا موحدًا لكفاءة الطاقة" . ZDNet . مؤرشف من الأصل في 16 ديسمبر 2007.
  24. ↑ مايك تشين. "بطاقة رسومات Asus EN9600GT Silent Edition" . مراجعة Silent PC . ص 5. تاريخ الاطلاع: 21 أبريل 2008 . 
  25. ↑ مايك تشين (19 مارس 2008). "جائزة 80 Plus توسّع منصة التتويج للفئات البرونزية والفضية والذهبية" . Silent PC Review . تاريخ الاسترجاع: 21 أبريل 2008 .
  26. ↑ مايك تشين. "تحليل دورة الحياة ومراجعة أجهزة الكمبيوتر الصديقة للبيئة" . مراجعة أجهزة الكمبيوتر الصديقة للبيئة . مؤرشف من الأصل في 4 مارس 2008.
  27. ↑ إريك ويليامز (2004). "كثافة الطاقة في تصنيع الحواسيب: تقييم هجين يجمع بين أساليب المدخلات والمخرجات العملية والاقتصادية". مجلة العلوم والتكنولوجيا البيئية ، 38 (22): 6166-74 . Bibcode : 2004EnST...38.6166W . doi : 10.1021/es035152j . PMID: 15573621 . 
  28. ↑ وو-تشون فينغ (2005). "أهمية انخفاض استهلاك الطاقة في الحوسبة عالية الأداء" . مجلة سي تي واتش الفصلية . 1 (5).
  29. ↑ غرينهيل، ديفيد. "الواط والطاقة في الفضاء SWaP" (ملف PDF) . برنامج Energystar التابع لوكالة حماية البيئة الأمريكية . تم الاطلاع عليه بتاريخ 14 نوفمبر 2013 .

للمزيد من القراءة