Principe: Energie-efficiëntie

Voltooid

De inhoud van deze video is nog steeds geldig, maar de principenummers kunnen verschillen als gevolg van de hernummering van het principe van de Green Software Foundation.

Elektriciteit en koolstof

De meeste mensen denken dat elektriciteit schoon is. Als we iets in een muur steken, worden onze handen niet vuil en hebben onze laptops geen uitlaatpijpen nodig. De waarheid is echter dat de meeste elektriciteit wordt geproduceerd door het verbranden van fossiele brandstoffen (meestal kolen) en de energietoevoer de belangrijkste oorzaak van koolstofuitstoot is.

Omdat we een directe lijn van elektriciteit naar koolstofuitstoot kunnen trekken, kunnen we overwegen dat elektriciteit een van de proxy's voor koolstof is.

Van de toepassingen die op uw smartphone worden uitgevoerd tot het trainen van machine learning-modellen die worden uitgevoerd in datacenters, verbruikt alle software elektriciteit in de uitvoering. Een van de beste manieren om het elektriciteitsverbruik te verminderen en de volgende koolstofvervuilingsemissies van onze software is om onze toepassingen energie-efficiënter te maken.

Deze kennis is waarom een belangrijk principe van Duurzame Software Engineering is het bouwen van toepassingen die energie-efficiënt zijn.

Als duurzame engineers moeten we elektriciteit begrijpen. Onze reis begint niet met de computer; het begint met hoe de elektriciteit die onze computers aangeeft, wordt gemaakt.

Het verschil tussen energie en vermogen

Energie meet de hoeveelheid gebruikte elektriciteit; de standaardeenheid voor Energie is Joules of J. Kilowatturen of kWh is echter een andere gebruikelijke manier om te verwijzen naar energieverbruik.

Elektriciteit wordt vaak vermeld als vermogen of energie, maar dit zijn twee verschillende concepten:

Energie = Energie ✕ Tijd

• Energie is de totale hoeveelheid elektriciteit die wordt gebruikt; de standaardeenheid voor Energie is Joules of J.

• Energie is het verbruik van elektriciteit per tijdseenheid; de standaardeenheid van het vermogen is Watt of W. Eén Watt is 1 Joule per seconde.

Een algemene manier om naar energieverbruik te verwijzen, is vermogen binnen een bepaalde tijdseenheid, zoals wattseconden of kilowattuur. Voorbeeld:

• 20 Watt-seconden of 20 Ws is de hoeveelheid energie die je zou krijgen als 20 W het één seconde wordt uitgevoerd. Aangezien 1 Watt 1 Joule per seconde is, is deze waarde 20 Joules.

• 20 kilowatturen of 20 kWh is de energie die je zou krijgen als 20.000 Watt gedurende één uur liep.

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

Evenredigheid van energie

Het gebruik meet hoeveel van de resources van een computer worden gebruikt, wat meestal wordt weergegeven als een percentage. Een niet-actieve computer heeft een laag gebruikspercentage en wordt niet gebruikt. Een computer met maximale capaciteit heeft een hoog percentage en wordt volledig gebruikt.

De evenredigheid van energie is een meetwaarde voor de relatie tussen het vermogen dat in een computersysteem wordt gebruikt en de snelheid waarmee nuttige bewerkingen worden uitgevoerd (de benutting). Als het totale energieverbruik evenredig is met het gebruik van de computer, is het energie proportioneel.

In een energie-proportioneel systeem is de energie-efficiëntie een constante; ongeacht het gebruik blijft de energie-efficiëntie hetzelfde. De energie-efficiëntie van hardware is echter niet constant. Dit hangt van de context af. Vanwege de complexe interacties van veel verschillende hardwareapparaatonderdelen kan het niet-lineair zijn, wat betekent dat de relatie tussen macht en gebruik niet proportioneel is.

Bij gebruik van 0% tekent 100 Wde computer nog steeds ; bij 50% gebruik, trekt 180 Whet , en bij 100% gebruik trekt 200 Wde computer . De relatie tussen energieverbruik en gebruik is niet lineair en de oorsprong wordt niet overschreden.

Vanwege deze relatie zal de computer efficiënter worden in het omzetten van elektriciteit in bruikbare rekenbewerkingen naarmate u die computer meer benut. Door uw bewerkingen op zo min mogelijk servers uit te voeren met de hoogst mogelijke benutting kunt u de energie-efficiëntie van die servers maximaliseren.

Statisch stroomverlies

Er zijn verschillende redenen voor dit gebrek aan evenredigheid van energie, waarvan een statische machtstrekking is.

Een niet-actieve computer, zelfs bij nul procent gebruik, trekt nog steeds elektriciteit op. Dit statische stroomverlies verschilt per configuratie en is niet voor alle hardwareonderdelen gelijk, maar bij alle onderdelen is in meer of mindere mate sprake van statisch stroomverlies. Dit potentiële stroomverlies is een van de belangrijkste redenen waarom computers, laptops en mobiele apparaten over energiebesparende modi beschikken. Als het apparaat niet actief is, wordt uiteindelijk een sluimerstand geactiveerd, waardoor de schijf en het scherm in de slaapstand worden gezet of zelfs de CPU-frequentie wordt gewijzigd. Deze energie-besparingsmodi besparen op elektriciteit, maar hebben andere afwegingen, zoals een tragere herstart wanneer het apparaat wakker wordt.

Servers zijn doorgaans niet geconfigureerd voor agressieve of zelfs minimale energiebesparing. Veel servergebruiksscenario's vragen zo snel mogelijk volledige capaciteit als reactie op snel veranderende eisen. Dit scenario kan veel servers in de niet-actieve modus laten staan tijdens perioden met lage vraag. De kosten voor inactieve servers lopen op door zowel opgenomen koolstof als de inefficiënte benutting.

Kloksnelheid

De kloksnelheid (frequentie) is de operationele snelheid van een computer of de microprocessor daarvan, uitgedrukt in cycli per seconde (megahertz). Consumentenapparaten passen de kloksnelheid van computerapparaten vaak dynamisch aan om meer evenredigheid van energie te bereiken.

Met de kloksnelheid wordt aangegeven hoe snel een computer instructies kan uitvoeren.

De energie-efficiëntie van microprocessors verandert met kloksnelheid; hoge kloksnelheden zijn vaak minder energie-efficiënt dan lage kloksnelheden. In het I7-3770K-systeem kunt u bijvoorbeeld uitvoeren op 3.5 GHz voor 50 W, of ongeveer 5 GHz voor 175 W. Voor een toename van de kloksnelheid van ongeveer 40% is 3✕ stroomtoename vereist.>

Het verminderen van de kloksnelheid in tijden van laag gebruik kan de energie-efficiëntie verhogen, waardoor de energie-efficiëntie van hardware wordt gemaximaliseerd.