電力管理

電源管理は、コピー機、コンピュータ、コンピュータCPU、コンピュータGPU 、およびモニタやプリンタなどのコンピュータ周辺機器などの一部の電気機器の機能であり、非アクティブなときに電源をオフにしたり、システムを低電力状態に切り替える機能です。コンピューティングの世界では、これはPC 電源管理と呼ばれ、 APMに代わる ACPIと呼ばれる標準に基づいて構築されています。最近のコンピュータはすべて ACPI をサポートしています。

動機

コンピュータシステムの PC 電源管理は、特に次のような多くの理由で求められています。

消費電力が低いということは、発熱も少なくなるためシステムの安定性が向上し、エネルギー使用量も少なくなるためコストが節約され、環境への影響も軽減されます。

プロセッサレベルのテクニック

マイクロプロセッサの電源管理は、プロセッサ全体に対して行うことも、キャッシュメモリやメインメモリなどの特定のコンポーネントに対して行うこともできます。

動的電圧スケーリングと動的周波数スケーリングを使用すると、CPU コア電圧、クロックレート、またはその両方を変更して、パフォーマンスが低下する可能性はあるものの、消費電力を削減できます。これは、電力とパフォーマンスのトレードオフを最適化するために、リアルタイムで実行されることもあります。

例:

AMDクール＆クワイエット
AMD PowerNow! ^[1]
IBMエナジースケール^[2]
インテルスピードステップ
Transmeta LongRunと LongRun2
VIA LongHaul (パワーセーバー)

さらに、プロセッサは内部回路の電源を選択的にオフにすることができます (パワーゲーティング)。例:

新しいIntel Coreプロセッサは、プロセッサ内の機能ユニットに対する極めて微細な電力制御をサポートしています。
AMD CoolCoreテクノロジーは、プロセッサの一部を動的にオンまたはオフにすることで、より効率的なパフォーマンスを実現します。^[3]

Intel VRTテクノロジーは、チップを 3.3VI/O セクションと 2.9V コアセクションに分割します。コア電圧が低いほど、消費電力が削減されます。

異機種コンピューティング

ARMのbig.LITTLEアーキテクチャは、より高速な「big」コアとより電力効率の高い「LITTLE」コア間でプロセスを移行できます。

オペレーティングシステムレベル: 休止状態

コンピュータシステムが休止状態になると、RAMの内容をディスクに保存し、マシンの電源を切ります。起動時にデータが再ロードされます。これにより、休止モード中にシステムの電源を完全にオフにすることができます。これには、インストールされている RAM のサイズのファイルをハードディスクに配置する必要があり、休止モードでないときでも領域が使用される可能性があります。休止モードは、一部のバージョンのWindowsではデフォルトで有効になっていますが、このディスク領域を回復するために無効にすることができます。

GPUの場合

グラフィックスプロセッシングユニット ( GPU ) は、 CPUと一緒に使用され、科学、分析、エンジニアリング、消費者向けおよび企業向けアプリケーションを中心としたさまざまなドメインでのコンピューティングを高速化します。^{[4]これらすべてにはいくつかの欠点があり、GPU の高いコンピューティング能力には高い}消費電力が伴います。GPU の消費電力の問題については多くの研究が行われており、この問題に対処するための多くの手法が提案されています。動的電圧スケーリング/動的周波数スケーリング(DVFS) とクロックゲーティングは、 GPU の動的電力を削減するためによく使用される 2 つの手法です。

DVFS テクニック

実験では、従来のプロセッサ DVFS ポリシーにより、適度なパフォーマンスの低下で組み込みGPUの電力削減を実現できることが示されています。 ^[5]異機種システム向けの効果的な DVFS スケジューラを設計するための新しい方向性も模索されています。^[6] GPU と CPU の両方で DVFS を同期して使用する異機種 CPU-GPU アーキテクチャである GreenGPU ^[7]が発表されています。GreenGPU は、Nvidia GeForce GPU と AMD Phenom II CPU を使用した実際の物理テストベッドで CUDA フレームワークを使用して実装されています。実験では、GreenGPU は平均 21.04% のエネルギー節約を実現し、適切に設計されたいくつかのベースラインを上回ることが示されています。あらゆる種類の商用および個人用アプリケーションで広く使用されている主流の GPU の場合、いくつかの DVFS 手法が存在し、GPU のみに組み込まれています。AMD PowerTuneとAMD ZeroCore Powerは、 AMDグラフィックカード用の2 つの動的周波数スケーリングテクノロジです。実際のテストでは、GeForce GTX 480 をリクロックすると、特定のタスクのパフォーマンスはわずか 1% しか低下せずに、消費電力を 28% 削減できることが示されました。^[8]

パワーゲーティング技術

DVFS 技術を使用した動的な電力削減については、多くの研究が行われてきました。しかし、技術が縮小し続けると、リーク電力が支配的な要因になるでしょう。^[9] パワーゲーティングは、未使用の回路の供給電圧をオフにすることでリークを除去するために一般的に使用される回路技術です。パワーゲーティングはエネルギーオーバーヘッドを引き起こすため、未使用の回路はこのオーバーヘッドを補うために十分長い間アイドル状態のままである必要があります。GPU のランタイムパワーゲーティングキャッシュ用の新しいマイクロアーキテクチャ技術^[10]は、リーク電力を節約します。16 種類の異なる GPU ワークロードでの実験に基づくと、提案された技術によって達成される平均エネルギー節約は 54% です。シェーダは GPU で最も電力を消費するコンポーネントであり、予測的なシェーダシャットダウンパワーゲーティング技術^[11]は、シェーダプロセッサで最大 46% のリーク削減を実現します。予測的なシェーダシャットダウン技術は、フレーム間のワークロードの変化を利用して、シェーダクラスターのリークを排除します。遅延ジオメトリパイプラインと呼ばれる別の手法は、バッチ間のジオメトリとフラグメントの計算の不均衡を利用して固定機能ジオメトリユニットのリークを最小化することを目指しており、固定機能ジオメトリユニットのリークを最大 57% 削減します。単純なタイムアウトパワーゲーティング方式を非シェーダー実行ユニットに適用すると、非シェーダー実行ユニットのリークを平均で 83.3% 削減できます。上記の 3 つの手法はすべて、パフォーマンスの低下がわずかで、1% 未満です。^[12]

参照

参考文献

^ 「最適化された電力管理を備えた AMD PowerNow! テクノロジー」 AMD . 2009 年 4 月 23 日閲覧。
^ 「IBM EnergyScale for POWER6 プロセッサーベースシステム」。IBM。2009年 4 月 23 日閲覧。
^ 「AMD Cool'n'Quiet テクノロジーの概要」。AMD。2009年 4 月 23 日閲覧。
^ 「GPU コンピューティングとは」。Nvidia。
^ 「低電力組み込み GPU 向けの動的電圧および周波数スケーリングフレームワーク」、Daecheol You 他著、Electronics Letters (Volume:48、Issue:21)、2012 年。
^ 「K20 GPU における動的電圧および周波数スケーリングの影響」、Rong Ge 他、第 42 回国際並列処理会議、826-833 ページ、2013 年。
^ 「GreenGPU: GPU-CPU 異機種アーキテクチャにおけるエネルギー効率への総合的アプローチ」、Kai Ma 他、第 41 回国際並列処理会議、48-57 ページ、2012 年。
^ 「GPU アクセラレーションシステムの電力とパフォーマンスの分析」、Yuki Abe 他、USENIX カンファレンス、電力を考慮したコンピューティングとシステム、10-10 ページ、2012 年。
^ 「技術スケーリングの設計上の課題」、Borkar, S.、IEEE Micro（巻：19、号：4）、1999年。
^ 「GPU キャッシュのランタイムパワーゲーティングによるリーク電力の節約」、Yue Wang 他、Design, Automation & Test in Europe Conference & Exhibition (DATE)、2012 年
^ 「GPU シェーダプロセッサの予測シャットダウン手法」、Po-Han Wang 他著、Computer Architecture Letters (第 8 巻、第 1 号)、2009 年
^ 「GPU のパワーゲーティング戦略」、Po-Han Wang 他、ACM Transactions on Architecture and Code Optimization (TACO) Volume 8 Issue 3、2011

外部リンク

Energy Star - 独立製品リスト 2008-11-02 にWayback Machineでアーカイブ
エネルギースター - 低炭素ITキャンペーン
エネルギー消費計算機
電力管理に関する研究文献

[1] 「最適化された電力管理を備えた AMD PowerNow! テクノロジー」 AMD . 2009 年 4 月 23 日閲覧。

[2] 「IBM EnergyScale for POWER6 プロセッサーベースシステム」。IBM。2009年 4 月 23 日閲覧。

[3] 「AMD Cool'n'Quiet テクノロジーの概要」。AMD。2009年 4 月 23 日閲覧。

[4] 「GPU コンピューティングとは」。Nvidia。

[5] 「低電力組み込み GPU 向けの動的電圧および周波数スケーリングフレームワーク」、Daecheol You 他著、Electronics Letters (Volume:48、Issue:21)、2012 年。

[6] 「K20 GPU における動的電圧および周波数スケーリングの影響」、Rong Ge 他、第 42 回国際並列処理会議、826-833 ページ、2013 年。

[7] 「GreenGPU: GPU-CPU 異機種アーキテクチャにおけるエネルギー効率への総合的アプローチ」、Kai Ma 他、第 41 回国際並列処理会議、48-57 ページ、2012 年。

[8] 「GPU アクセラレーションシステムの電力とパフォーマンスの分析」、Yuki Abe 他、USENIX カンファレンス、電力を考慮したコンピューティングとシステム、10-10 ページ、2012 年。

[9] 「技術スケーリングの設計上の課題」、Borkar, S.、IEEE Micro（巻：19、号：4）、1999年。

[10] 「GPU キャッシュのランタイムパワーゲーティングによるリーク電力の節約」、Yue Wang 他、Design, Automation & Test in Europe Conference & Exhibition (DATE)、2012 年

[11] 「GPU シェーダプロセッサの予測シャットダウン手法」、Po-Han Wang 他著、Computer Architecture Letters (第 8 巻、第 1 号)、2009 年

[12] 「GPU のパワーゲーティング戦略」、Po-Han Wang 他、ACM Transactions on Architecture and Code Optimization (TACO) Volume 8 Issue 3、2011

動機