Введение

Управление питанием — это функция некоторых электрических приборов, в частности копировальных аппаратов, компьютеров, центральных процессоров, графических процессоров и компьютерных периферийных устройств, таких как мониторы и принтеры, которая отключает питание или переводит систему в режим пониженного энергопотребления в периоды бездействия. В области вычислительной техники это известно как управление питанием ПК и основано на стандарте ACPI, который пришел на смену APM. Все современные компьютеры поддерживают ACPI.

Гетерогенные вычисления

Архитектура big.LITTLE от ARM позволяет переносить процессы между более быстрыми "большими" ядрами и более энергоэффективными "малыми" ядрами.

Уровень операционной системы: режим гибернации

Когда компьютерная система переходит в режим гибернации, она сохраняет содержимое оперативной памяти на диск и полностью отключает питание. При запуске система восстанавливает эти данные. Это позволяет полностью выключить компьютер, находясь в режиме гибернации. Для этого на жестком диске необходимо разместить файл, размер которого равен объему установленной оперативной памяти, что может занимать место даже при неактивном режиме гибернации. В некоторых версиях Windows режим гибернации включен по умолчанию, и его можно отключить для освобождения места на диске.

В графических процессорах

Графические процессоры (GPU) используются совместно с центральным процессором (CPU) для ускорения вычислений в широком спектре областей, включая научные, аналитические, инженерные, потребительские и корпоративные приложения. Однако это имеет и свои недостатки: высокая вычислительная мощность GPU достигается за счет значительного энергопотребления. Проблеме энергопотребления GPU посвящено множество исследований, и предложено большое количество методов ее решения. Динамическое изменение напряжения/частоты (DVFS) и тактовое отключение – два распространенных метода снижения динамического энергопотребления в GPU.

Методы DVFS

Эксперименты показывают, что стандартная политика DVFS процессора способна снизить энергопотребление встроенных графических процессоров с допустимым снижением производительности. Также исследуются новые подходы к разработке эффективных планировщиков DVFS для гетерогенных систем. Представлена гетерогенная архитектура CPU-GPU, GreenGPU, которая применяет DVFS синхронно как для GPU, так и для CPU. GreenGPU реализован с использованием фреймворка CUDA на реальном аппаратном стенде, оснащенном графическими процессорами Nvidia GeForce и процессорами AMD Phenom II. Экспериментально показано, что GreenGPU обеспечивает среднюю экономию энергии в 21,04% и превосходит несколько тщательно разработанных базовых решений. Для широко используемых в коммерческих и персональных приложениях графических процессоров существует ряд методов DVFS, встроенных непосредственно в GPU, среди которых AMD PowerTune и AMD ZeroCore Power – две технологии динамического изменения частоты для графических карт AMD. Практические тесты показали, что изменение тактовой частоты GeForce GTX 480 позволяет снизить энергопотребление на 28%, при этом производительность снижается всего на 1% для конкретной задачи.

Техника силовых ворот

Много исследований посвящено снижению динамического энергопотребления с использованием методов DVFS. Однако, по мере дальнейшей миниатюризации технологий, энергопотребление на утечки станет доминирующим фактором. Power gating – это широко используемый метод в схемотехнике для устранения утечек путем отключения напряжения питания неиспользуемых цепей. Power gating требует определенных энергетических затрат, поэтому неиспользуемые цепи должны оставаться в неактивном состоянии достаточно долго, чтобы компенсировать эти затраты. Предложена новая микроархитектурная техника для управления power gating кэшей GPU во время выполнения, позволяющая снизить энергопотребление на утечки. Эксперименты, проведенные на 16 различных рабочих нагрузках GPU, показали, что предлагаемая техника обеспечивает среднюю экономию энергии в 54%. Шейдеры являются наиболее энергоемкими компонентами GPU, и прогностическая техника отключения питания шейдеров (predictive shader shut down) позволяет снизить утечки на процессорах шейдеров до 46%. Техника Predictive Shader Shutdown использует изменение рабочей нагрузки между кадрами для устранения утечек в кластерах шейдеров. Другая техника, Deferred Geometry Pipeline, направлена на минимизацию утечек в блоках геометрии с фиксированной функциональностью, используя дисбаланс между геометрическими вычислениями и вычислениями фрагментов в пакетах, что позволяет устранить до 57% утечек в этих блоках. Простой метод отключения питания по тайм-ауту может быть применен к не-шейдерным вычислительным блокам, что в среднем устраняет 83,3% утечек в этих блоках. Все три описанные выше техники приводят к незначительной деградации производительности – менее 1%.