Princip: Energetická účinnost

2 min

Obsah tohoto videa je stále platný, ale základní čísla se můžou lišit v důsledku principu přečíslování Green Software Foundation.

Elektrická energie a uhlík

Většina lidí si myslí, že elektřina je čistá. Když něco připojíme ke zdi, naše ruce se nezašpiní a naše notebooky nepotřebují výfukové trubky. Pravdou však je, že většina elektřiny se vyrábí prostřednictvím spalování fosilních paliv (obvykle uhlí) a dodávka energie je jedinou nejvýznamnější příčinou emisí uhlíku.

Vzhledem k tomu, že můžeme nakreslit přímou přímku z elektřiny k emisím uhlíku, můžeme zvážit, že elektřina je jednou z proxy serverů uhlíku.

Od aplikací běžících na smartphonu až po trénování modelů strojového učení běžících v datových centrech spotřebuje veškerý software elektřinu při provádění. Jedním z nejlepších způsobů, jak snížit spotřebu elektřiny a následné emise uhlíku v našem softwaru, je zajistit, aby naše aplikace byly energeticky efektivnější.

Tyto znalosti jsou důvodem, proč klíčovým principem vytváření softwaru pro trvalou udržitelnost je vytváření aplikací, které jsou energeticky efektivní.

Jako technici s trvalou udržitelností musíme porozumět elektřině. Naše cesta nezačíná počítačem; začíná tím, jak se vyrábí elektřina, která pohání naše počítače.

Energie versus výkon

Energetická opatření měří množství spotřebované elektřiny; standardní jednotka pro energii je Joules nebo J. Kilowatthodiny nebo kWh je ale dalším běžným způsobem, jak odkazovat na spotřebu energie.

Elektřina se často skrývá pod označením energie nebo výkon (resp. příkon), což jsou ale dva různé koncepty:

Energy = Power ✕ Time

Spotřeba energie je celková spotřeba elektřiny; standardní jednotka pro energii je Joules nebo J.
Výkon je rychlost spotřebované elektřiny za jednotku času; Standardní jednotka výkonu je Watt nebo W. Jeden Watt je 1 Joule za sekundu.

Běžným způsobem, kterým se uvádí spotřeba energie, je výkon za jednotku času – například se používají wattsekundy nebo kilowatthodiny. Příklad:

20 Watt-sekundy nebo 20 Ws je množství energie, kterou byste dostali, kdybyste 20 W běželi na jednu sekundu. Vzhledem k tomu, 1 Watt je 1 Joule za sekundu, tato hodnota je 20 Joules.
20 kilowatthodin nebo 20 kWh je energie, kterou byste dostali, pokud 20 000 Wattů běželo na jednu hodinu.

Energy = 60 X 60 X 20,000 = 72,000,000 Joules = 72 Megajoules (72 MJ)

Energetická proporcionalita

Využití měří, kolik prostředků počítače se používá, což je obvykle vyjádřeno jako procento. Nečinný počítač má nízké procento využití a nevyužívá se. Počítač, na kterém běží maximální kapacita, má vysoké procento a plně využívá.

energetická proporcionalita je měřítkem vztahu mezi spotřebou energie v počítačovém systému a rychlostí, s jakou se provádí užitečná práce (její využití). Pokud je celková spotřeba energie úměrná využití počítače, je proporcionální.

V energetickém systému je energetická účinnost konstantní; bez ohledu na využití zůstává energetická účinnost stejná. Energetická účinnost hardwaru ale není konstantní. Proměňuje se v závislosti na kontextu. Vzhledem ke složitým interakcím mnoha různých součástí hardwarového zařízení může být nelineární. To znamená, že vztah mezi výkonem a využitím není proporcionální.

Diagram znázorňující výkon a využití

Při 0% využití počítač stále nakreslí 100 W. Při 50% využití nakreslí 180 W. Při 100% využití% odebírá 200 W. Vztah mezi spotřebou energie a využitím není lineární a nepřekračuje původ.

Z tohoto vztahu vyplývá, že čím více počítač využíváte, tím efektivněji se energie převádí na užitečný výpočetní výkon. Obsluhováním konkrétní úlohy na co nejnižším počtu serverů dosáhnete nejvyšší míry využití a maximalizuje energetickou efektivitu.

Statický odběr energie

Z tohoto nedostatku energetické proporcionality existují různé důvody, z nichž jedna je statické napájení.

Nečinný počítač, dokonce i při nulovém procentu využití, stále odebírá elektřinu. Tento statický odběr energie se liší podle konfigurace a hardwarových komponent, ale všechny komponenty nějaký statický odběr vykazují. Tento klidový odběr je jedním z důvodů, proč osobní a přenosné počítače i mobilní zařízení disponují režimy pro úsporu energie. Pokud je zařízení nečinné, nakonec aktivuje režim hibernace. Tím se disk a obrazovka přepne do režimu spánku nebo dokonce změní frekvenci procesoru. Tyto režimy úspory energie šetří elektřinu, ale mají jiné kompromisy, například pomalejší restartování při probuzení zařízení.

Servery nejsou obvykle nakonfigurované pro agresivní nebo dokonce minimální úsporu energie. Mnoho případů použití serveru vyžaduje plnou kapacitu co nejrychleji v reakci na rychle se měnící požadavky. Tento scénář může ponechat mnoho serverů v nečinném režimu během období s nízkou poptávkou. Na nečinný server se vážou vtělené emise uhlíku i jeho neefektivní využití.

Hodinový takt

Hodinový takt (frekvence) je provozní rychlost počítače (jeho mikroprocesoru) vyjádřená v cyklech za sekundu (MHz). Spotřebitelská zařízení často dynamicky upravují rychlost hodin výpočetních zařízení, aby dosáhla větší energetické proporcionality.

Hodinový takt označuje, jak rychle může počítač provádět instrukce.

Energetická účinnost mikroprocesorů se mění rychlostí hodin; vysoké rychlosti hodin jsou často méně energeticky efektivní než nízké rychlosti hodin. Například v systému I7-3770K můžete běžet na 3.5 GHz , 50 Wnebo asi 5 GHz pro 175 W. Přibližné 40% zvýšení rychlosti hodin vyžaduje >zvýšení výkonu 3✕ .