Table of Contents

The Dawn of Energy-Conscious CISC Design

وقد أدى تصميم المعالجات المحيطة منذ عقود إلى حفز الأداء الخام على استهلاك الطاقة، أما تركيبات نظام الحاسوب المركب، التي تجسدها أسرة X86، فقد اعتبرت في كثير من الأحيان أن أفضل أنواع الطاقة المحتوية على الطاقة الكهربائية، هي التي تناسب الحواسيب المكتبية والخواديم، غير أن الدافع الذي لا يطاق إلى أجهزة الحاسوب المحمولة، والقابلة للتأثر، وكفاءة مركز البيانات في رابطة الدول المستقلة، قد أجبرت على إعادة النظر في عملية أساسية.

وهذا التحول ناجم عن وجود تطابق في المعدات والتطورات في الهياكل الأساسية، ففي حين أن هياكل المؤسسة (الحساب الإلكتروني المخفض) مثل الآلية الأفريقية لإدارة المخاطر المؤسسية كانت تهيمن على محادثة كفاءة الطاقة، فإن الرقائق الحديثة التابعة لرابطة الدول المستقلة سدت الفجوة من خلال الهندسة المتطورة، ونتيجة لذلك، فإن مجموعة جديدة من المجهزين يمكن أن تكيف دينامياً من حيث القدرة، وتخفض النفايات إلى أدنى حد في كل مستوى من مستويات تصميمات البرمجيات، وتوليد عملية غير مسبوذة.

التحول المؤسسي: من كلوك سبيد إلى نسبة الطاقة

وقد تم تحديد السنوات الأولى لتصميم مركز التعاون الدولي من خلال سباق لا هوادة فيه لزيادة ترددات الساعة، حيث تم دفع وحدة المعلومات 4 على سبيل المثال إلى ما يتجاوز 3 جيهرتز ولكن بتكلفة تفكك وسخان هائلين في الطاقة، وفي نهاية المطاف، ضربت الصناعة جدارا حراريا، مما أدى إلى تحول في النموذج بعيدا عن الترددات العالية إلى الكفاءة المعمارية، وهذا التحول هو حجر الأساس لمعالجات النظام الحديثة التي تتسم بالكفاءة في استخدام القوة.

نهاية (دينارد)

وارتفاع مستوى النزلة، الذي ذكر أن كثافة الطاقة لا تزال ثابتة، مع تمزق المترجمين، وهروبها من العقد التسعينم، وتيارات التذاكر والحد من الفولط يعني أن المترجمين الأصغر لم يعدوا يخفضون تلقائياً الطاقة، وأن المصممين في رابطة الدول المستقلة اضطروا إلى التخلي عن النهج الساذج المتمثل في " الازدهار والإسراع " ، وبدلاً من ذلك التركيز على رقائق ثابتة مصممة تناسبية الطاقة لا تستهلك القوة بما يتناسب مع النفايات.

ارتفاع المعمارات المتعددة البلدان والمتجانسة

واحد من أهم الاستجابات هو الركيزة للتصميمات المتعددة العناصر بدلاً من أن يكون هناك قلب مثير وشديد التردد

هذا النهج يسمح لنظام التشغيل بتحديد مواعيد المهام الأساسية أو العمليات المنخفضة الدقة على النواة الفعالة، في حين أن الطلب على التطبيقات لا يستعمل نواة الأداء إلا عند الضرورة، ونتيجة لذلك انخفاض كبير في استهلاك الطاقة العاطلة والخفيضة الحجم دون التضحية بأداء الذروة، وبالمثل، فإن تصميم رقائق AMD مع نظامي مستقل للقتل واتفاقية مكافحة التصحر (التوسع في أجزاء التراكمية) يتيح عملية تركيب الطاقة المحممة.

الابتكارات في مجال إدارة الطاقة على مستوى البرامجيات

وبالإضافة إلى العد الأساسي، قام المجهزون الحديثون التابعون للجنة المستقلة بتشكيل دوائر وأجهزة تقويم متقدمة لإدارة الطاقة في الجمران الثاني من النانو، وهذه الآليات الحاسوبية غير مرئية للبرامجيات ولكنها حاسمة بالنسبة لكفاءة الطاقة.

Dynamic Voltage and Frequency Scaling (DVFS) 2.0

تقليديّة من الـ دي في إس تضخّم وتردد في خطوات الـ "كروز" على أساس استخدام وحدة تحليل السلوك، المجهزون الحديثون في لجنة الكومنولث الدولية ينفذون نظام الـ "دي في إس" الأساسي حيث يمكن لكل نواة أن تحدد نقطة تشغيله بشكل مستقل، وتأخذ تكنولوجيا الـ "إينتل" في هذا المجال أكثر من خلال السماح للمعدات بمراقبة عمليات الانتقال السريع أسرع بكثير من المحافظين التقليديين، مما يخفضون من سرعة الاستجابة، ويحسنون في الوقت الذي يحفظ فيه الطاقة المتكاملة.

بطاقــة التغييــر وربطــة القفل ذات الحجــة الحسنــة

وتقطع الطاقة الكهربائية إلى جميع القطع المنطقية التي لا تستخدم، وفي الرقائق الحديثة للجنة المستقلة، وفي جميع النواحي، وفي شرائح الخياطة، ومراقبي الذاكرة، وحتى الوحدات الوظيفية المحددة داخل اللب، يمكن أن تكون موزعة على السلطة، مما يزيل التسرب الحالي الذي يشكل جزءا كبيرا من الطاقة في الولايات العاطلة، وعلى مستوى أعلى، يُبطل الوقت الذي يُستخدم فيه في السجلات النشطة ويحول دون وجود المنطق.

الهيئة التأديبية في مجال التحايل والحساب الإلكتروني القريب من الأرض

ولزيادة تخفيض حجم الفولط، تجري بعض رقائق لجنة كومنولث الدول المستقلة تجاربها في تحيز الجسم التكييفي، حيث يتم تعديل الحد الأدنى للفولط المتحولين بصورة دينامية على أساس عبء العمل ودرجة الحرارة، حيث يمكن للحسابات غير الثابتة القريبة من الأرض، حيث يخفض حجم الإمدادات إلى ما يقرب من عتبة المقاولين، أن تخفض الطاقة بمقدار 10 أو أكثر، وفي حين أن المقاييس التقليدية تحد من العقوبات على الأداء وتقنيات التي تدمج في تصميم النماذج الرقمية.

مصفوفة التقلبات الدقيقة من أجل كفاءة الطاقة

إن هيكل التعليمات المصممة لرابطة الدول المستقلة معقد في جوهره، مع التعليمات ذات الاتجاه المتغير والعديد من وسائل معالجة هذه الأساليب، وقد أدى هذا التعقيد تقليديا إلى ارتفاع طاقة الشفرات، غير أن المهندسين طوروا مجموعة من تقنيات الهيكلة الدقيقة التي تحول هذا التعقيد إلى كفاءة.

مقصورات صغيرة وزجاجات ديكور

بدلا من التعليمات المعقدة المتكررة X86 (التي يمكن أن تكون من 1 إلى 15 بوتس)، يقوم المجهزون الحديثون التابعون لرابطة الدول المستقلة باختبار العمليات الدقيقة المهددة بالدهن، ويقللون من مخازن الطاقة الميكروفية التي تستخدمها الشركة إلى آلاف من الميكروفونات المستخدمة عادة، ويتجاوزون منطق الشيكات الكثيفة الطاقة، مما يقلل من الاستهلاك الدينامي للطاقة في إعداد التعليمات وخط الأنابيب من الكبريتيد الكبريت بنسبة تصل إلى 30 في المائة.

برنامج الأغذية العالمي

ويجمع دمج الصمامات بين توجيهين بسيطين من التعليمات X86 (مثلا، مقارنة تليهما قفزة مشروطة) في عملية واحدة على نطاق واسع في وقت مبكر من خط الأنابيب، مما يقلل من عدد الميكروبات التي يتعين تجهيزها، ويتخذ الاندماج الدقيق خطوة أخرى من خلال الجمع بين ميكروبين (مثل الحمولة وعملية استخدام اليورانيوم المنخفض) في عملية واحدة، مما يسمح بإرسالها معاً وتنفيذها على أساس واحد.

Efficient Out-of-Order Execution Engines

ويعتبر التنفيذ خارج نطاق النظام علامة بارزة للمجهزين ذوي الأداء العالي، ولكنه استهلك تقليدياً قوة كبيرة بسبب وجود عازلة كبيرة من إعادة الإمداد، ومحطات للتحفظات، ومنطق الاستيقاظ، كما أن التصميمات الجديدة تستخدم [(FLT:0]) الانتصاب بالاختفاءات الاصطناعية - فقط تستيقظ التعليمات المعالِلة التي هي بالفعل جاهزة لتنفيذ التعليمات الأكثر كفاءة، بدلاً من البث لجميع التعليمات.

التعظيم في هرش البحـر

Inmory access is a major energy consumer. CISC processors have revamped their cache hierarchies to reduce energy per access. Innovations include non-inclusive cache designs that reduce coherence traffic, sector caches that allow partial tagwell checks, and [FL

مجموعة التوجيهات

ومن المفارقات أن إضافة مزيد من التعليمات إلى الوكالة الدولية للطاقة الذرية التابعة لرابطة الدول المستقلة يمكن أن يؤدي بالفعل إلى تحسين كفاءة الطاقة إذا كانت هذه التعليمات تؤدي عمليات معقدة في خطوة واحدة على النحو الأمثل بدلا من سلسلة من الإجراءات البسيطة، وقد شهد هيكل عام 1986 انتشارا للتمديدات التي تستهدف تحديدا الحد من السلطة عن طريق التقليل إلى أدنى حد من عدد التعليمات وتداول الذاكرة.

AVX-512 and VNNI: Power-Efficient Vector Processing

ويمكن للتمديدات التي تتم بواسطة ناقلات مثل AVX-512 (التمديدات ذات المحرك المتقدم) و VNNI (التكليفات الخاصة بالشبكة الافتتاحية) أن تتيح تعليمات واحدة لتجهيز عناصر بيانات متعددة، أما بالنسبة لأعباء العمل الموازية للبيانات مثل الاستدلال في مجال الطاقة، والتوزيع الإعلامي، والحساب العلمي، فإن هذه التعليمات تقل كثيرا عن عدد وحدات التعليمات وبوابات التشغيل.

التعليمات المشفرة والإكراهية

وتفرغ من هذه المهام التعليمات المخصصة لتشفير الأجهزة الفضائية، وتهجيرها، وضغطها (مثلاً، شركة إنتل كيت في إطار القاع) من حلقات البرامجيات إلى الأجهزة المخصصة، وهذا لا يؤدي إلى تحسين الأداء فحسب، بل يخفض القدرة، وذلك بإلغاء الحاجة إلى العديد من التعليمات الفرعية وأجهزة الاتصال بالذاكرة، وعلى سبيل المثال، يمكن للشركة أن تقوم بدورة كاملة في برنامج واحد،

تمديدات التواؤم بين المعاملات (TSX) وشركة هارد واير لوك

وكثيرا ما ينطوي التتزامن في البرامج المتعددة المصممة على القفل الذي يُستخدم في الخزن، أي طاقة النفايات، وقد أتاح جهاز (إنتل) TSX (الذي أصبح الآن معوقا جزئيا بسبب أوجه الضعف ولكن مهم من الناحية المفاهيمية) للمعدات أن تُخلّص من الأقفال وتنفذ الأقسام الحساسة بشكل مضارب، وعندما ينجح ذلك، فإنه يُلغي العمود الفقري المتصل بالقفل وما يرتبط به من نفايات الطاقة، وفي حين أن الشواغل الأمنية محدودة الاعتماد، فإن مبدأ الحد من التداخل هو محور التركيز الرئيسي لتصميمات التي تعتمدها في المستقبل المتسمة بالكفاءة في مجال الطاقة.

التكامل على مستوى المنظومة والكفاءة غير الأساسية

كفاءة الطاقة ليست فقط حول نواة وحدة تحليل السلوك، بل إن عناصر الضبط غير الأساسية، ومحاور المنظمة الدولية للألعاب النارية، والوصلات البينية المتكاملة، يمكن أن تستهلك جزءاً كبيراً من مجموع قوة الشريحة، وقد شهدت رقائق لجنة الكومنولث المستقلة ابتكارات كبيرة في هذا المجال.

مراقبو السلطة المتكاملة

ولدى المجهزين الحديثين وحدة مخصصة لمراقبة السلطة تعمل كجهاز صغير لإدارة الطاقة الكهربائية المعقدة، ويرصد وحدة التحكم في الطاقة باستمرار درجة الحرارة، والحال، والاستخدام، ونقل الطاقة، وتكييف الفولط، والتواتر، وبوابات الطاقة عبر مئات المجالات في الوقت الحقيقي، وهذا المستوى من الرعي والاستخبارات هو أحد المميزات الرئيسية لكفاءة لجنة الكومنولث المستقلة، مما يتيح إمكانية استخدام المعالم مثل التبريد بالسيولة، ورصد درجات الحرارة.

الاتصالات بين الدول المنخفضة

في وحدات متعددة الأقمشة مثل تصميم رقائق AMD، وصلات بين العصور (Infinity Fabric) تم تحسينها لتناسب الطاقة، ويمكنها تغيير أسلوبها الديناميكي، والتردد، والفولط استنادا إلى حركة المرور، وبالمثل، تستخدم بروتوكولات إنتيل إي إمتشي بي إي إم بي إي تي بي إم بي إي تي بي إم بي إم بي إم بي إم بي إم بي إم بي إم بي إم بي إم بي إم بي إم بي إم تي

Efficient DRAM observerss and Memory Encryption

الدخول إلى نظام إدارة السجلات والمحفوظات هي واحدة من أكثر العمليات التي تتطلبها الطاقة في نظام ما، ويستخدم مجهزو المركز الآن أجهزة مراقبة ذاكرة ذكية تعطي الأولوية لطلبات الذاكرة لتقليل عمليات التطهير إلى أدنى حد، وينشطون فقط المصارف الضرورية، ويمكن أيضاً أن تكون أجهزة التحكم في الذاكرة متعددة القنوات مجهزة جزئياً عندما تكون هناك حاجة إلى قناة واحدة، بالإضافة إلى محركات التشفير الافتراضية (مثل شبكة المعلومات IME أو برمجيات AMD)

الأثر الحقيقي العالمي: من مراكز البيانات إلى الأجهزة العشبية

إن الابتكارات المذكورة أعلاه ليست نظرية، بل إنها تترجم مباشرة إلى وفورات في الطاقة يمكن قياسها في عمليات الانتشار في العالم الحقيقي.

كفاءة مركز البيانات وتقنية تكنولوجيا المعلومات

In hyperscale data centers, power accounts for a significant portion of total cost of ownership (TCO). Modern CISC serve from Intel (Xeon Scalable) and AMD (EPYC) incorporate features like P-state ramping] that aggressively down-hour idle cores,

الأداء المتنقل والحياة البطارية

في المقدمة المتنقلة، مجهزي (إنتل) الأساسيين (من (سكايلاك) إلى بحيرة ميثيور قد تحسنوا بشكل كبير في حياة البطاريات في الحواسيب المحمولة،

Edge AI and Inference

مجهزو الـ (اي اي) يستعملون بشكل متزايد للإطلاع على الحافة حيث تضيق ميزانيات الطاقة، و(إنتل دي إل) و(دي إل) و(أوف إيه) و(أيه إم دي) و(أي فاكس2) مجهزة بالكهرباء،

التحديات والاتجاهات المستقبلية

بالرغم من هذه التقدمات، لا تزال هناك تحديات كبيرة، التعقيد الأساسي لرمز تعليم رابطة الدول المستقلة ما زال يفرض تكلفة طاقة خط الأساس التي لا تملكها هياكل المؤسسة، وتستكشف الصناعة عدة مسارات للأمام.

الهجينات المعمارية والتشيبلتس

قد ينطوي مستقبل مركز السيطرة على الأمراض على المزيد من الهجينات، وقد تتضمن تصميمات المعلومات القادمة مجهزات مشتركة مخصصة قائمة على مبادرة " إيس سي " لمهام محددة (مثل محرك إدارة أو وحدة مناولة ذات إطار منخفض القوى)، كما أن هذه السلاسل تتيح اختلاط عملية مختلفة تستخدم فيها شعاراً متقدماً وفعالاً من حيث الطاقة بالنسبة للنواة، ونموذجاً أقل تكلفة وأكثر تساهلاً بالنسبة للتكامل " I/O " .

AI-Driven Power Management

وتستخدم تعلم الآلات للتنبؤ بأنماط عبء العمل والتعديل الاستباقي للفولط والتواتر وقرارات بوابة الطاقة، وتستخدم تكنولوجيا التناسل الديناميكي بالفعل القياس عن بعد لتكييف السياسات الحرارية وسياسات الطاقة، وقد تدمج المجهزون المستقبليون شبكات الزرق الضوئي داخل وحدة التحكم في الملوثات العضوية الثابتة لتحقيق إدارة أسرع وأكثر دقة للطاقة.

ما بعد السيليكون: المواد المتقدمة والتعبئة

وتعود الابتكارات المتطورة مثل البوابة الشاملة في ريبونت وخلفية توليد الطاقة (بورفيا) بتقليل المقاومة المترابطة وتمكين تنظيم التكثيف المباشر وتحسين كفاءة الطاقة، ومن ناحية التغليف، فإن التعبئة 3D من المخبأ والمنطق باستخدام الترميز الهجيني تقلل من تكلفة الطاقة لحركة البيانات، التي هي عملية مهيمنة في كومنولث الدول المستقلة.

مقايضة الكفاءة الأمنية

وقد أرغمت أوجه الضعف التي تعاني منها حركة النقل ومهاجمة الشركات الموردة للرابطة على تنفيذ عمليات التخفيف التي تضيف أحياناً إلى القدرة العامة، ويجب أن تعالج التصميمات المستقبلية هذه المسائل الأمنية دون المساس بكفاءة الطاقة، وهذا يعني تطوير هياكل دقيقة مقاومة للتقنيات الجانبية أو تنفيذ عمليات تخفيف فعالة للمعدات لا تعتمد على التقلبات في المكات أو تخفيض المضاربة.

خاتمة

إن مفهوم أن مجهزي المركز في صميمه غير كفء للطاقة هو ثبط عتيق، ومن خلال عقود من الابتكار المتكرر في إدارة الطاقة، والتكتل الجزئي، وتصميم نظام التعليم، وتكامل النظام، ظهرت رقائق البطاقات الحديثة في رابطة الدول المستقلة كأجهزة توليد طاقة فعالة، ومن الهواتف الذكية (التي حاولت وفشلت، ولكن الدروس طبقت) على الحواسيب الكبيرة، فإن النظم الإيكولوجية في مركز الكومنولث المستقلة تتنافس الآن على الكفاءة.

ومع انتقال الصناعة نحو الحاسب المتجانس، والهيكلات الشائكة، والتفاؤل الذي تحركه الوكالة الدولية للطاقة، فإن الفجوة بين لجنة رابطة الدول المستقلة ومعهد البحوث والتدريب في مجال كفاءة الطاقة ستستمر في التضييق، فالابتكارات المبينة هنا ليست مجرد ابتكارات تدريجية، بل تمثل إعادة أساسية لمعالج مركز الدول المستقلة في عالم مزود بالطاقة، وسيبنى الجيل القادم من برمجيات كفاءة الطاقة على هذه الأسس،

الموارد الخارجية: ]