計(jì)算機(jī)節(jié)能技術(shù)綜述

張 豪，王益涵，吳 飛

(上海工程技術(shù)大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院，上海 201620)

計(jì)算機(jī)節(jié)能技術(shù)綜述

張 豪，王益涵，吳 飛

(上海工程技術(shù)大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院，上海 201620)

計(jì)算機(jī)節(jié)能技術(shù)是利用不同技術(shù)方法來(lái)有效降低計(jì)算機(jī)運(yùn)行所產(chǎn)生的能源消耗。近年來(lái)，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注能源問(wèn)題，為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能降低資源消耗，計(jì)算機(jī)節(jié)能技術(shù)已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外節(jié)能領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。文中首先比較了國(guó)內(nèi)計(jì)算機(jī)節(jié)能領(lǐng)域內(nèi)的兩種不同節(jié)能規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，并在此基礎(chǔ)上從動(dòng)態(tài)電源管理、動(dòng)態(tài)電壓頻率調(diào)節(jié)以及使用高性能的節(jié)能配件等方面分析了硬件方面的節(jié)能技術(shù)，之后從編譯器、操作系統(tǒng)等方面進(jìn)一步對(duì)軟件節(jié)能技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)闡述。最后，在總結(jié)計(jì)算機(jī)現(xiàn)有節(jié)能技術(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)節(jié)能技術(shù)和計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)計(jì)算機(jī)軟硬件節(jié)能可能的研究方向作了進(jìn)一步的展望。

計(jì)算機(jī)節(jié)能；節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)；動(dòng)態(tài)電源管理；動(dòng)態(tài)電壓頻率調(diào)節(jié)

0 引 言

目前，隨著計(jì)算機(jī)的日益普及，人們的生活水平和工作效率都得到了很大程度的提高，但是由于計(jì)算機(jī)的功能越來(lái)越強(qiáng)大，隨之而來(lái)的能耗問(wèn)題也成為大家關(guān)注的焦點(diǎn)。再加上人們環(huán)境保護(hù)意識(shí)的提高，節(jié)能減排問(wèn)題不斷受到國(guó)家的重視，計(jì)算機(jī)節(jié)能已經(jīng)成為科研當(dāng)中不可忽視的一部分，通過(guò)降低計(jì)算機(jī)能耗來(lái)延長(zhǎng)計(jì)算機(jī)的使用時(shí)間和使用壽命也是目前節(jié)能研究的熱點(diǎn)之一。

很多專家針對(duì)計(jì)算機(jī)節(jié)能技術(shù)進(jìn)行了研究，提出了很多降低計(jì)算機(jī)能源消耗的有效措施。這些措施從不同的角度可以分為兩類：

第一類是從硬件的層面出發(fā)，通過(guò)開(kāi)發(fā)低功耗的節(jié)能設(shè)備、使用不同的電源管理機(jī)制等措施，達(dá)到節(jié)能的目的。這些措施在電子信息、電力系統(tǒng)、工業(yè)鍛造等多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

另一類是從軟件的層面出發(fā)，從編譯器到操作系統(tǒng)，通過(guò)各種不同的措施來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的低功耗設(shè)計(jì)。

文中首先對(duì)現(xiàn)在國(guó)內(nèi)已有的計(jì)算機(jī)評(píng)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，之后從硬件和軟件兩方面對(duì)不同的節(jié)能技術(shù)進(jìn)行介紹。

1 國(guó)內(nèi)計(jì)算機(jī)評(píng)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)比較

中國(guó)質(zhì)量認(rèn)證中心2009年9月發(fā)布并實(shí)施了《計(jì)算機(jī)節(jié)能認(rèn)證技術(shù)規(guī)范》(編號(hào)：CQC3114-2009)[1]，我國(guó)在計(jì)算機(jī)節(jié)能檢測(cè)這一領(lǐng)域有了首個(gè)針對(duì)計(jì)算機(jī)產(chǎn)品節(jié)能評(píng)價(jià)的專用檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。但是因?yàn)椤队?jì)算機(jī)節(jié)能認(rèn)證技術(shù)規(guī)范》是推薦性的，沒(méi)有對(duì)計(jì)算機(jī)產(chǎn)品的檢測(cè)做強(qiáng)制要求，導(dǎo)致該技術(shù)規(guī)范的約束力有限；同時(shí)由于計(jì)算機(jī)領(lǐng)域內(nèi)節(jié)能技術(shù)的進(jìn)步，該技術(shù)規(guī)范對(duì)計(jì)算機(jī)類產(chǎn)品飛速發(fā)展的產(chǎn)品特點(diǎn)缺乏及時(shí)跟進(jìn)[2]。中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局和中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)于2012年5月發(fā)布了《微型計(jì)算機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》(編號(hào)：GB 28380-2012)[3]，并于同年9月開(kāi)始實(shí)施。同時(shí)中國(guó)質(zhì)量認(rèn)證中心規(guī)定自2012年12月1日起，對(duì)于《微型計(jì)算機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》適用范圍內(nèi)的計(jì)算機(jī)產(chǎn)品，不再采用《計(jì)算機(jī)節(jié)能認(rèn)證技術(shù)規(guī)范》實(shí)行節(jié)能認(rèn)證，其適用范圍以外的產(chǎn)品，將繼續(xù)采用《計(jì)算機(jī)節(jié)能認(rèn)證技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行檢測(cè)。這些標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)為未來(lái)我國(guó)計(jì)算機(jī)節(jié)能技術(shù)的發(fā)展起到了促進(jìn)作用。

下文為了方便對(duì)這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行差異比較，將《計(jì)算機(jī)節(jié)能認(rèn)證規(guī)范》簡(jiǎn)稱為CQC技術(shù)規(guī)范，將新發(fā)布并實(shí)施的《微型計(jì)算機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》簡(jiǎn)稱為GB節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)對(duì)評(píng)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的差異比較，能夠?qū)τ?jì)算機(jī)領(lǐng)域的節(jié)能技術(shù)有一個(gè)簡(jiǎn)單的認(rèn)識(shí)和初步的理解。

1.1 適用范圍的差異

(1)CQC技術(shù)規(guī)范對(duì)普通用途的計(jì)算機(jī)節(jié)能產(chǎn)品的認(rèn)證技術(shù)規(guī)范和試驗(yàn)方法做出了規(guī)定。GB節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)則對(duì)臺(tái)式微型計(jì)算機(jī)、具有顯示功能的一體式臺(tái)式微型計(jì)算機(jī)和便攜式計(jì)算機(jī)等微型計(jì)算機(jī)的能效限定值、節(jié)能評(píng)價(jià)值、試驗(yàn)方法和檢驗(yàn)規(guī)則進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定。

(2)CQC技術(shù)規(guī)范的適用范圍是在電網(wǎng)電壓下正常工作的計(jì)算機(jī)，如：臺(tái)式計(jì)算機(jī)、筆記本電腦等。服務(wù)器的節(jié)能認(rèn)證不在該技術(shù)規(guī)范的適用范圍之內(nèi)。GB節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍是普通用途微型計(jì)算機(jī)。但是該節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)不適用于工作站、工控機(jī)以及配備有兩個(gè)及以上獨(dú)立圖形顯示單元(GPU)的微型計(jì)算機(jī)的節(jié)能認(rèn)證；同樣電源額定功率大于750 W的微型計(jì)算機(jī)和顯示屏對(duì)角線小于0.294 6 m的便攜式計(jì)算機(jī)及一體機(jī)也不在GB標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍之內(nèi)。

(3)由于CQC技術(shù)規(guī)范是由中國(guó)質(zhì)量認(rèn)證中心所發(fā)布的節(jié)能自愿性認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，該文件對(duì)計(jì)算機(jī)產(chǎn)品的節(jié)能認(rèn)證不具有強(qiáng)制性。而GB節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)是由中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化研究院所推出的、對(duì)計(jì)算機(jī)產(chǎn)品節(jié)能技術(shù)水平的強(qiáng)制要求和規(guī)定，與CQC技術(shù)規(guī)范不同，該節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)具有強(qiáng)制性。

1.2 計(jì)算機(jī)分類的差異

(1)CQC技術(shù)規(guī)范中根據(jù)處理器、系統(tǒng)內(nèi)存、是否具備獨(dú)立圖形處理器等不同將臺(tái)式計(jì)算機(jī)分為A類、B類、C類。GB節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)中根據(jù)計(jì)算機(jī)產(chǎn)品的處理器、系統(tǒng)內(nèi)存、獨(dú)立圖形處理器等不同將臺(tái)式微型計(jì)算機(jī)及一體機(jī)分為A類、B類、C類、D類。

(2)GB節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)和CQC技術(shù)規(guī)范對(duì)于便攜式計(jì)算機(jī)和筆記本電腦的分類依據(jù)的規(guī)則相同，都是根據(jù)其中央處理器(CPU)、獨(dú)立圖形顯示單元以及系統(tǒng)內(nèi)存等不同將其分為A類、B類、C類。

1.3 能效判定的差異

(1)在GB節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)中，微型計(jì)算機(jī)的能效等級(jí)根據(jù)能源消耗被分為1級(jí)、2級(jí)、3級(jí)。而在CQC技術(shù)規(guī)范中沒(méi)有等級(jí)，只有節(jié)能評(píng)價(jià)值，而且該值在不同的項(xiàng)目下有不同的指標(biāo)。

(2)GB節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于臺(tái)式微型計(jì)算機(jī)及一體機(jī)的能效判定是通過(guò)典型能源消耗(Typical Energy Consumption，TEC)的方式，用公式TEC=(8 760/1 000)×(Poff×Toff+Psleep×Tsleep+Pidle×Tidle)來(lái)計(jì)算并判定。CQC技術(shù)規(guī)范對(duì)于臺(tái)式計(jì)算機(jī)的能效判定是通過(guò)測(cè)量關(guān)機(jī)模式(offmode)、睡眠模式(sleepmode)、空閑狀態(tài)(idlestate)這三種不同模式下的功耗分別對(duì)其進(jìn)行判定。

(3)對(duì)于微型計(jì)算機(jī)的能效判定，CQC技術(shù)規(guī)范與GB節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算方法相同，都是按TEC的方法進(jìn)行計(jì)算及判定的，但是二者公式中的百分比與功耗在數(shù)值上是有差異的。

(4)GB節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)增加了附加功能功耗因子的考核要求和相關(guān)說(shuō)明，附加功能功耗因子之和的值(ΣEfa)通過(guò)查表來(lái)確定。CQC技術(shù)規(guī)范中沒(méi)有規(guī)定附加功能功耗因子。

1.4 測(cè)試方法的差異

(1)CQC技術(shù)規(guī)范中規(guī)定，對(duì)計(jì)算機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試時(shí)相對(duì)濕度為45%～75%；測(cè)試電源為交流電壓(220±5)V，頻率為(50±0.5)Hz；測(cè)試電源的總諧波失真≤3%。GB節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定對(duì)計(jì)算機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試時(shí)的相對(duì)濕度為25%～75%；測(cè)試電源為交流(220±2.2)V，電源頻率為(50±1)Hz；測(cè)試電源的總諧波失真≤2%。

(2)CQC技術(shù)規(guī)范中規(guī)定帶外部顯示設(shè)備的電腦(一般為臺(tái)式機(jī))應(yīng)該使用顯示器電源管理設(shè)置，避免出現(xiàn)顯示設(shè)備電力供應(yīng)不及時(shí)的狀況，確保在以后整個(gè)idle state測(cè)試過(guò)程中的電力供應(yīng)。GB節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了臺(tái)式微型計(jì)算機(jī)顯示設(shè)備的桌面背景是RGB值都為130的固定顏色位圖，亮度設(shè)定為出廠設(shè)置。

(3)CQC技術(shù)規(guī)范規(guī)定對(duì)idle state下的能耗測(cè)試是在操作系統(tǒng)加載完成整15 min后開(kāi)始測(cè)量被測(cè)樣本。GB節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定對(duì)計(jì)算機(jī)產(chǎn)品idle state下的能耗測(cè)試要連續(xù)記錄下計(jì)算機(jī)進(jìn)入idle state后5 min至15 min的有功功率及測(cè)試時(shí)間。此外，GB節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)還對(duì)進(jìn)行不同模式及狀態(tài)下的能耗測(cè)試時(shí)的讀數(shù)頻率、功率計(jì)算方法做出了明確規(guī)定。

2 硬件節(jié)能技術(shù)

計(jì)算機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，有一部分能耗是從硬件產(chǎn)生，通過(guò)動(dòng)態(tài)的調(diào)整電壓、頻率等相關(guān)技術(shù)能有效降低系統(tǒng)的硬件層面的能源消耗，動(dòng)態(tài)電源管理(Dynamic Power Management，DPM)[4]和動(dòng)態(tài)電壓頻率調(diào)整(Dynamic Voltage and Frequency Scaling，DVFS)[5-6]作為有效的硬件節(jié)能層面的措施[7]已經(jīng)應(yīng)用到多個(gè)領(lǐng)域；此外通過(guò)更換高性能的計(jì)算機(jī)主板等配件也能在硬件層面有效地降低計(jì)算機(jī)能耗。

2.1 動(dòng)態(tài)電源管理

作為一種電源管理機(jī)制，動(dòng)態(tài)電源管理技術(shù)能夠在計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)地管理電源，在保證計(jì)算機(jī)性能的前提下，選擇性地將計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)不使用的部件置于低功耗睡眠狀態(tài)，通過(guò)這種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體的能耗最優(yōu)化，從而達(dá)到節(jié)能的目的。DPM作為一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，不用對(duì)計(jì)算機(jī)內(nèi)部進(jìn)行干涉就能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的對(duì)計(jì)算機(jī)電源的盡心管理，實(shí)現(xiàn)低功耗的設(shè)計(jì)。研究發(fā)現(xiàn)，不同的控制策略能夠使得DPM技術(shù)產(chǎn)生不同的節(jié)能效果，因此根據(jù)動(dòng)態(tài)電源管理技術(shù)中控制策略的不同將其分為超時(shí)策略、預(yù)測(cè)策略和隨機(jī)策略[8-13]。

(1)超時(shí)策略。

超時(shí)策略是目前動(dòng)態(tài)電源管理技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛的一類策略，它會(huì)根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前已知空閑時(shí)間的時(shí)間段長(zhǎng)短設(shè)立一個(gè)時(shí)間閾值,這個(gè)閾值可以是固定的也可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，相對(duì)其他策略來(lái)說(shuō)較為簡(jiǎn)單。當(dāng)功耗可管理部件(Power Manageable Component,PMC)連續(xù)處在空閑狀態(tài)的時(shí)間長(zhǎng)度超過(guò)之前設(shè)定的時(shí)間閾值時(shí)，超時(shí)策略就將該部件切換為睡眠模式，減少電力消耗。由于這類DPM策略相對(duì)來(lái)講比較簡(jiǎn)單，無(wú)法快速根據(jù)負(fù)載的變化做出相應(yīng)的調(diào)整，缺乏靈活性，所以當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載頻繁變化時(shí)其功耗管理效果通常很不理想。此外無(wú)論系統(tǒng)部件的空閑時(shí)間長(zhǎng)短，PMC必須等待一段時(shí)間才能將其切換為睡眠狀態(tài)，在這段時(shí)間內(nèi)有一定程度的電量消耗，不能最大限度地實(shí)現(xiàn)能源的節(jié)約。

(2)預(yù)測(cè)策略。

預(yù)測(cè)策略在PMC開(kāi)始運(yùn)行時(shí)會(huì)使用某種預(yù)測(cè)方法對(duì)該部件未來(lái)處于空閑狀態(tài)的時(shí)間長(zhǎng)度進(jìn)行預(yù)先估計(jì)，如果該估計(jì)值超過(guò)了某一設(shè)定的時(shí)間閾值，則在開(kāi)始時(shí)就將此PMC置為睡眠模式，如果在時(shí)間閾值內(nèi)則讓此PMC維持在運(yùn)行狀態(tài)。因此，選擇合適的預(yù)測(cè)方法是此類策略能否有效降低系統(tǒng)功耗的關(guān)鍵，這將直接關(guān)系到預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確程度。目前大多采用Markov算法、Bayes算法、Genetic算法、Hidden Markov算法、Immune算法、Neural network算法、Wavelet transform算法、指數(shù)平均算法或?qū)W習(xí)樹(shù)算法等對(duì)其進(jìn)行研究。與超時(shí)策略相比，預(yù)測(cè)策略不需要確定時(shí)間閾值并與之進(jìn)行比較就可以進(jìn)行模式切換，這能有效地解決超時(shí)策略中等待進(jìn)入睡眠模式的那段時(shí)間內(nèi)所帶來(lái)的能耗浪費(fèi)問(wèn)題，但該類策略的難點(diǎn)在于如何正確預(yù)測(cè)空閑時(shí)間，如果預(yù)測(cè)失誤，不但不能節(jié)省功耗反而會(huì)降低系統(tǒng)性能，增加能源能耗。

(3)隨機(jī)策略。

隨機(jī)策略是將系統(tǒng)負(fù)載當(dāng)作一個(gè)隨機(jī)優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行處理，通過(guò)采用隨機(jī)決策模型來(lái)解決DPM問(wèn)題從而實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)。多數(shù)情況下，該類策略采用受控的Markov過(guò)程對(duì)其進(jìn)行求解。它把用戶請(qǐng)求和系統(tǒng)負(fù)載抽象為離散時(shí)間Markov決策過(guò)程模型，即把PMC提供的服務(wù)序列給轉(zhuǎn)化為離散的或連續(xù)的Markov鏈，這使得最優(yōu)化DPM問(wèn)題在多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)有解，并且在降低能源消耗和減少系統(tǒng)性能損失間找到了權(quán)衡的方法。雖然隨機(jī)策略在控制系統(tǒng)能耗的同時(shí)能有效控制響應(yīng)延遲，有比較好的動(dòng)態(tài)電源管理效果，但是首先需要對(duì)系統(tǒng)部件的狀態(tài)變遷服從哪種分布做出假設(shè),這使得該類策略的適用范圍受到一定程度的限制。而且利用隨機(jī)模型來(lái)求解DPM的過(guò)程相對(duì)復(fù)雜,算法自身開(kāi)銷較大，可能無(wú)法對(duì)系統(tǒng)能源消耗進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的控制提供保障。

2.2 動(dòng)態(tài)電壓頻率調(diào)節(jié)

動(dòng)態(tài)電壓頻率調(diào)節(jié)技術(shù)是依據(jù)計(jì)算機(jī)不同的工作運(yùn)行狀態(tài)對(duì)CPU等PMC部件進(jìn)行電壓、頻率動(dòng)態(tài)合理調(diào)整的計(jì)算機(jī)低功耗節(jié)能管理技術(shù)。作為一種有效的硬件節(jié)能技術(shù)[14],它以系統(tǒng)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)為依據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)CPU的電壓和頻率，讓計(jì)算機(jī)的各個(gè)部件能夠運(yùn)行在能滿足系統(tǒng)性能需求的最低頻率和電壓上，在不影響系統(tǒng)各方面運(yùn)行性能的條件下合理降低了CPU的電量消耗。動(dòng)態(tài)電壓頻率調(diào)節(jié)依據(jù)CMOS電路(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)中功耗和電路上的電壓平方、時(shí)鐘頻率成正比例的關(guān)系，通過(guò)延長(zhǎng)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)降低計(jì)算機(jī)電量消耗的目標(biāo)。DVFS技術(shù)在很多領(lǐng)域都有研究成果，同時(shí)也被細(xì)分為很多類，主要有實(shí)時(shí)DVFS技術(shù)、通用DVFS技術(shù)等。實(shí)時(shí)DVFS技術(shù)是通過(guò)對(duì)任務(wù)的最壞執(zhí)行時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，在滿足計(jì)算機(jī)硬實(shí)時(shí)要求的條件下，降低電源的電壓和頻率，從而實(shí)現(xiàn)降低計(jì)算機(jī)能源消耗的目標(biāo)。由于任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間長(zhǎng)度無(wú)法通過(guò)對(duì)這些參數(shù)的估計(jì)而預(yù)先知道，所以這種方法的應(yīng)用相對(duì)而言較少；而通用DVFS技術(shù)是指對(duì)系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估和預(yù)測(cè)，之后根據(jù)結(jié)果選擇適合其正常穩(wěn)定工作運(yùn)行的電壓與頻率，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的低功耗設(shè)計(jì)。例如在Linux系統(tǒng)當(dāng)中應(yīng)用的DVFS技術(shù)：ondemand governor[15]，它就是依據(jù)CPU的利用率對(duì)CPU的電壓和頻率進(jìn)行動(dòng)態(tài)合理的調(diào)整以降低能耗實(shí)現(xiàn)節(jié)能。此外，DVFS技術(shù)在多核的實(shí)時(shí)系統(tǒng)中運(yùn)用廣泛，但其技術(shù)策略就更為復(fù)雜，分配問(wèn)題、執(zhí)行速度問(wèn)題、優(yōu)先級(jí)問(wèn)題是DVFS技術(shù)在多核系統(tǒng)上運(yùn)用需要解決的主要問(wèn)題。通過(guò)將DVFS技術(shù)與軟件層面的節(jié)能技術(shù)相結(jié)合亦能有效降低計(jì)算機(jī)在運(yùn)行時(shí)的能量消耗。

2.3 使用高性能節(jié)能配件

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，計(jì)算機(jī)硬件的更新?lián)Q代速度也越來(lái)越快，市場(chǎng)上的硬件產(chǎn)品為了迎合消費(fèi)者的不同需求都開(kāi)始朝著更節(jié)能更高效的方向發(fā)展。在電腦的主要配件主板上，各大一線品牌紛紛推出了自己的節(jié)能技術(shù)，如華碩EPU節(jié)能技術(shù)(Energy Processing Unit，EPU)、技嘉DES節(jié)能技術(shù)(Dynamic Energy Saver，DES)、微星DrMOS技術(shù)、映泰GPU節(jié)能技術(shù)(Green Power Utility，GPU)、梅捷3E節(jié)能技術(shù)(Energy Efficient Engine)等等。通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī)更換高效節(jié)能的硬件同樣可以有效降低計(jì)算機(jī)功耗，實(shí)現(xiàn)綠色低碳、減少能源消耗。

2.3.1 華碩EPU能量引擎節(jié)能技術(shù)簡(jiǎn)介

華碩EPU綠色能量引擎是一款實(shí)時(shí)監(jiān)控電源管理的微處理芯片，該芯片采用DPM技術(shù)，可以根據(jù)計(jì)算機(jī)的實(shí)際需求自動(dòng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗運(yùn)行。EPU綠色能量引擎的工作原理是通過(guò)檢測(cè)主要部件的運(yùn)行狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)主板相應(yīng)部分的精確管理。在計(jì)算機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中，操作系統(tǒng)并沒(méi)有一直處于100%的全負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)，如果系統(tǒng)一直滿載運(yùn)行勢(shì)必會(huì)造成大量能源浪費(fèi)。華碩的這款芯片通過(guò)混合動(dòng)力技術(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控，根據(jù)負(fù)載的變化情況來(lái)實(shí)時(shí)地調(diào)整和改變系統(tǒng)的電力供應(yīng)情況，即使用DPM技術(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)整CPU的電壓，從而使計(jì)算機(jī)的能源消耗達(dá)到一個(gè)相對(duì)合理的狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

2.3.2 技嘉動(dòng)態(tài)節(jié)能引擎技術(shù)簡(jiǎn)介

技嘉DES動(dòng)態(tài)節(jié)能技術(shù)是由DES軟件搭配處理器供電模塊所組成，該技術(shù)使用新型的多段式電源相位方案，共有五段不同的電源相位數(shù)供其選擇，它能夠根據(jù)處理器的負(fù)載情況自動(dòng)將處理器調(diào)整至最有效率的電源相位段數(shù)，以滿足處理器在不同工作狀態(tài)下的供電需求，在保證計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能維持在一個(gè)良好穩(wěn)定狀態(tài)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低能耗運(yùn)行。例如當(dāng)處理器處在低負(fù)荷運(yùn)行或空閑的狀態(tài)時(shí)，動(dòng)態(tài)節(jié)能器就會(huì)將處理器的電源相位段數(shù)調(diào)至最小，關(guān)掉其他的電源相位電路，從而避免造成能源浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。通過(guò)使用技嘉DES技術(shù)，系統(tǒng)能夠在不改變用戶體驗(yàn)的情況下，節(jié)約近七成的電量消耗，同時(shí)提高約兩成的能源利用率。此外，技嘉DES技術(shù)不會(huì)影響系統(tǒng)效能，能在不影響系統(tǒng)功能及效率的前提下實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。

3 軟件節(jié)能技術(shù)

計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)的能量消耗除了有硬件部分產(chǎn)生的功耗外，還有一部分是由軟件在系統(tǒng)上運(yùn)行所產(chǎn)生。因?yàn)檐浖谟?jì)算機(jī)操作系統(tǒng)上運(yùn)行產(chǎn)生的電量消耗被稱為計(jì)算機(jī)的軟件功耗。當(dāng)計(jì)算機(jī)的處理器、主板等硬件設(shè)施固定不變時(shí)，通過(guò)硬件層面的節(jié)能技術(shù)降低計(jì)算機(jī)功耗其結(jié)果是有限的，在此基礎(chǔ)上使用軟件層面的節(jié)能技術(shù)使計(jì)算機(jī)對(duì)電量消耗的損失降至最小，通過(guò)此方法能夠使整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)處于最佳的運(yùn)行狀態(tài)。

由于在計(jì)算機(jī)節(jié)能設(shè)計(jì)中解決能耗的方法有很多，并非所有的功耗問(wèn)題都能通過(guò)DPM、DVFS等計(jì)算機(jī)硬件節(jié)能技術(shù)解決，仍然有一些能耗問(wèn)題是硬件節(jié)能技術(shù)所無(wú)法解決的，這時(shí)可以通過(guò)軟件節(jié)能設(shè)計(jì)技術(shù)這一新的途徑來(lái)尋求解決方法。

如今，動(dòng)態(tài)電源管理技術(shù)、動(dòng)態(tài)電壓頻率調(diào)節(jié)技術(shù)等硬件層面節(jié)能技術(shù)的提出為從軟件層面解決計(jì)算機(jī)能耗問(wèn)題提供了新的道路，通過(guò)軟件節(jié)能設(shè)計(jì)也能有效地降低計(jì)算機(jī)能源消耗。計(jì)算機(jī)軟件層面的低功耗設(shè)計(jì)有基于編譯器的節(jié)能設(shè)計(jì)、基于操作系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)等等[16]。

3.1 基于編譯器的節(jié)能設(shè)計(jì)

目前大多數(shù)的編譯器是根據(jù)提高性能和高效率的原則來(lái)生成代碼的，但是由于不同的代碼對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行效率、功耗都有不同的影響，所以基于編譯器的節(jié)能設(shè)計(jì)研究主要體現(xiàn)在代碼生成與優(yōu)化這兩方面[17]。優(yōu)化編譯技術(shù)包括:均衡優(yōu)化指令功能、降低執(zhí)行頻率、提高執(zhí)行速度、縮短執(zhí)行時(shí)間、減少數(shù)據(jù)傳輸和片外總線的驅(qū)動(dòng)次數(shù)等[18]。通過(guò)分析程序可知，編譯器可以按照給定的目標(biāo)對(duì)整個(gè)程序進(jìn)行優(yōu)化，基于編譯器的節(jié)能設(shè)計(jì)可以分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種。靜態(tài)編譯是在維持計(jì)算機(jī)性能的條件下對(duì)軟件內(nèi)部的程序代碼實(shí)施優(yōu)化，通過(guò)變更計(jì)算機(jī)指令順序，從而改變軟件的運(yùn)算結(jié)構(gòu)，最后選擇功耗消耗最低的運(yùn)算結(jié)構(gòu)。動(dòng)態(tài)編譯是指在軟件運(yùn)行前先對(duì)程序進(jìn)行一次編譯，之后在軟件運(yùn)行過(guò)程中對(duì)其再次編譯，使程序能夠滿足在高要求環(huán)境下運(yùn)行的條件。動(dòng)態(tài)編譯通過(guò)與DVFS技術(shù)相結(jié)合能夠更精準(zhǔn)地指導(dǎo)DVFS技術(shù)，獲得準(zhǔn)確的程序信息用于系統(tǒng)計(jì)算，從而提高軟件性能，減少能源消耗。

除此之外，在分布和并行領(lǐng)域也有很多方面使用到了基于編譯器的節(jié)能技術(shù)。分布系統(tǒng)中用到計(jì)算機(jī)節(jié)能設(shè)計(jì)的方面有對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的功耗管理和分布任務(wù)劃分等；并行系統(tǒng)中使用到計(jì)算機(jī)節(jié)能設(shè)計(jì)的方面有任務(wù)調(diào)度、負(fù)載平衡和功耗能量權(quán)衡問(wèn)題[19]等。

3.2 基于操作系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)

操作系統(tǒng)作為底層硬件與用戶之間的紐帶，在整個(gè)系統(tǒng)中具有特殊重要的地位，它既管理和控制著計(jì)算機(jī)的硬件資源，又是計(jì)算機(jī)中所有程序軟件的運(yùn)行基礎(chǔ)。操作系統(tǒng)能夠監(jiān)視整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的程序運(yùn)行狀態(tài)和資源使用情況，因此基于操作系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)能夠十分有效地實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的節(jié)能設(shè)計(jì)。即使操作系統(tǒng)級(jí)的節(jié)能技術(shù)需要計(jì)算機(jī)硬件層面的節(jié)能技術(shù)(如DPM、DVFS技術(shù))的支持，也能通過(guò)軟件對(duì)計(jì)算機(jī)的能耗進(jìn)行合理、綜合的控制。

根據(jù)使用方法的不同，基于操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)低功耗技術(shù)可以分為以下兩個(gè)方面：一方面是通過(guò)對(duì)操作系統(tǒng)目前的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前所處的不同狀態(tài)，利用操作系統(tǒng)所支持的DPM中的相關(guān)策略或者DVFS中的相關(guān)措施等進(jìn)行調(diào)整，從而達(dá)到節(jié)能的目的；另一方面是優(yōu)化操作系統(tǒng)自身的運(yùn)行機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能，例如對(duì)操作系統(tǒng)中的節(jié)能調(diào)度算法進(jìn)行改進(jìn)等等。

大量的研究成果表明，軟件層面的節(jié)能技術(shù)已經(jīng)是降低CPU能耗的一種高效合理的手段，通過(guò)在操作系統(tǒng)上采取相應(yīng)措施能有效達(dá)到計(jì)算機(jī)低電量消耗的目的。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì)于綠色低碳環(huán)保意識(shí)的提升，計(jì)算機(jī)領(lǐng)域內(nèi)的低功耗節(jié)能問(wèn)題越來(lái)越受到人們的關(guān)注，從硬件層面到軟件層面，人們一直在尋找能有效降低計(jì)算機(jī)能耗的方法，當(dāng)前技術(shù)尚存諸多不足之處，許多問(wèn)題需要進(jìn)行更深層次的研究來(lái)解決。不過(guò)隨著研究的深入，不斷有新的理論被提出，這些理論為日后計(jì)算機(jī)節(jié)能技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，計(jì)算機(jī)節(jié)能技術(shù)也越來(lái)越朝著綠色高效可控的方向發(fā)展。

雖然我國(guó)計(jì)算機(jī)節(jié)能技術(shù)起步較晚，但是隨著我國(guó)計(jì)算機(jī)節(jié)能認(rèn)證規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的提出，相信今后我國(guó)的計(jì)算機(jī)節(jié)能技術(shù)能夠得到飛速發(fā)展。在不久的將來(lái)新型有效的節(jié)能技術(shù)將會(huì)出現(xiàn)，如何降低計(jì)算機(jī)能耗問(wèn)題也會(huì)有越來(lái)越多的解決辦法，計(jì)算機(jī)領(lǐng)域內(nèi)的節(jié)能技術(shù)也能夠有更加深遠(yuǎn)的發(fā)展。

[1] CQC3114-2009.中國(guó)質(zhì)量認(rèn)證中心認(rèn)證技術(shù)規(guī)范[S].2009.

[2] 宋繼軍,蔣春花.微型計(jì)算機(jī)能效標(biāo)準(zhǔn)差異探討(上)[J].電子質(zhì)量,2012(2):58-60.

[3] GB28380-2012.微型計(jì)算機(jī)能效限定值及能效等級(jí)[S].2012.

[4] Rele S, Pande S, Onder S,et al.Optimizing static power dissipation by functional units in super scalar processors[C]//Proc of LNCS.[s.l.]:[s.n.],2002:85-100.

[5] Chandrakasan A,Sheng S,Brodersen R.Low-power CMOS digital design[J].IEEE Journal of Solid-state Circuit,1992,27(4):473-484.

[6] Burd T D,Brodersen R W.Energy efficient CMOS microprocessor design[C]//Proc of the international conf on system science.[s.l.]:[s.n.],1995.

[7] 張 立.基于DPM和DVFS的嵌入式系統(tǒng)低功耗優(yōu)化技術(shù)研究[D].北京:北京交通大學(xué),2012.

[8] 封 蕾.嵌入式linux系統(tǒng)功耗優(yōu)化技術(shù)綜述[J].榆林學(xué)院學(xué)報(bào),2011,21(6):33-36.

[9] 王昌龍.嵌入式軟件系統(tǒng)的節(jié)能策略研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2009,32(22):39-41.

[10] 汪琳玫.多核環(huán)境下動(dòng)態(tài)功耗管理框架的研究及在aCoral中的應(yīng)用[D].成都:電子科技大學(xué),2012.

[11] 范園園.基于資源監(jiān)控的Linux電源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2013.

[12] 李晨明.嵌入式電源管理設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[D].成都:電子科技大學(xué),2009.

[13] 劉向文.嵌入式系統(tǒng)動(dòng)態(tài)電源管理技術(shù)研究及應(yīng)用[D].廣州:華南理工大學(xué),2004.

[14] 張冬松,陳芳園,金士堯.多核系統(tǒng)中基于動(dòng)態(tài)電壓頻率調(diào)節(jié)的實(shí)時(shí)節(jié)能調(diào)度研究[J].計(jì)算機(jī)工程與科學(xué),2010,32(9):157-164.

[15] 高旭宏.操作系統(tǒng)級(jí)低功耗技術(shù)研究[D].合肥:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),2012.

[16] 張冬松.多核多處理器系統(tǒng)的節(jié)能實(shí)時(shí)調(diào)度技術(shù)研究[D].長(zhǎng)沙:國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué),2012.

[17] 梁 曉.基于DVS的節(jié)能編譯技術(shù)研究[D].杭州:浙江大學(xué),2007.

[18] 姚 偉.嵌入式系統(tǒng)低功耗軟件技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展,2011,21(1):112-115.

[19] 易會(huì)戰(zhàn).低功耗技術(shù)研究—體系結(jié)構(gòu)和編譯優(yōu)化[D].長(zhǎng)沙:國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué),2006.

Overview of Computer Energy-saving Technology

ZHANG Hao,WANG Yi-han,WU Fei

(College of Electronic and Electrical Engineering,Shanghai University of Engineering Science,Shanghai 201620,China)

Computer energy-saving technology is to adopt different methods to effectively reduce energy consumption generated by computer.In recent years,as the energy problem is getting more and more attention,in order to realize the energy conservation and reduce resource consumption,computer energy-saving technology has become one of research hot-spots in the field of energy-saving all over the world.Firstly,the two different testing norms and standards are compared in the field of domestic computer.Secondly,hardware energy-saving technologies are introduced,such as dynamic power management,dynamic voltage and frequency scaling and the use of high-performance energy-saving computer accessories.Thirdly,software energy-saving technologies are described in detail.Finally,on the basis of the existing computer for energy saving technology,according to the development trend of energy saving technology and computer,give the prospect of the energy-saving techniques of computer software and hardware research direction.

computer energy-saving;energy-saving standards;DPM;DVFS

2015-04-16

2015-07-22

時(shí)間：2016-01-04

上海市教育委員會(huì)科研創(chuàng)新項(xiàng)目(12ZZ182)；上海市大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目(cs1402012)

張 豪(1994-)，男，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)節(jié)能技術(shù)；吳 飛，博士，教授，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)并行處理與節(jié)能控制。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160104.1510.050.html

TP302.7

A

1673-629X(2016)01-0124-05

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.01.026