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| Liderazgo de Intel en el diseño de plataformas con consumo eficaz de energía |
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| Introducción: Una trayectoria de innovación |
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Durante los últimos 25 años del siglo pasado hemos sido testigos de un increíble progreso en términos de desempeño y funciones de servidores, equipos de escritorio, equipos portátiles y dispositivos de mano. Estos avances sólo aumentaron la necesidad de incrementar la velocidad de funcionamiento, ampliar la funcionalidad, disminuir los precios y reducir el tamaño de los formatos cada vez más portátiles. Es fundamental el diseño de plataformas que asegure su desempeño con un consumo eficaz de energía a fin de garantizar que los nuevos sistemas puedan admitir aplicaciones de alto nivel sin aumentar de manera considerable el consumo de energía. Por ello, es indispensable una reformulación de los métodos que se utilizan para proporcionar nuevos niveles de desempeño dentro de una determinada gama de alimentación de energía.
Por su dilatada trayectoria de liderazgo en el desarrollo de chips de máximo desempeño y la innovación en tecnologías de administración de energía, Intel se encuentra en una posición ideal para impulsar la próxima generación de dispositivos de computación y comunicaciones más potentes y que a su vez consumen menos energía.
Para ofrecer estos dispositivos, es necesario llevar adelante una iniciativa holística que abarque todos los componentes comunes de plataformas: procesadores, discos duros, fuentes de alimentación, tarjetas de gráficos, ventiladores, pantallas, etc. Las microarquitecturas avanzadas con consumo eficaz de energía, las tecnologías de silicio líderes de la industria y las tecnologías de consumo reducido de energía de Intel logran ahorrar energía y dan respuesta a los problemas térmicos que presentan los potentes sistemas informáticos de la actualidad. Se trata de una fase importante de la transición a las plataformas multi-core que ofrecerán nuevas capacidades y ventajas superiores a los usuarios en los segmentos de equipos móviles, de escritorio y servidores.
El consumo eficaz de energía y la adopción de plataformas multi-core Intel espera que más del 70% de los equipos de escritorio y móviles, y más del 85% del volumen de servidores que salgan al mercado a fines de 2006 integren procesadores dual-core y multi-core. Asimismo, Intel prevé que para fines de 2007 más del 90% de los equipos de escritorio y móviles, y casi el 100% del volumen de servidores que salgan al mercado integren procesadores multi-core. Las importantes inversiones en las tecnologías de procesos de 90 nanómetros (nm) y 65 nm, y la capacidad de fabricación de 300mm posibilitan esta rápida transición a los procesadores multi-core. Con el tiempo, las arquitecturas Intel® podrán ofrecer decenas e incluso cientos de núcleos de ejecución en un mismo procesador.
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| Al abordar la plataforma en su totalidad y no sólo sus partes, el método holístico de Intel para optimizar el consumo de energía ayudará a la industria a encontrar todas las variables de cada plataforma que permitan ahorrar energía, reducir el impacto ambiental y seguir aprovechando las ventajas del desempeño según las predicciones de la Ley de Moore. |
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| En esta edición |
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Artículo principal
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¿De qué manera los procesadores multi-core ayudarán a reducir el consumo de energía? El consumo de energía depende de la tensión y la frecuencia operativa del núcleo. Mediante los procesadores multi-core, una leve reducción de la tensión de cada núcleo puede generar una reducción importante del consumo de energía sin afectar el desempeño. Además, gracias a la potencia adicional de procesamiento que proporciona la arquitectura dual-core puede realizarse un volumen mayor de trabajo con el mismo nivel de consumo de energía.
Figura 1: Desde hace décadas Intel aumenta constantemente la cantidad de transistores
en los procesadores, según las predicciones de la Ley de Moore.
Intel se basa en la transición a las plataformas multi-core para trabajar tanto en las microarquitecturas multi-core y en todos los demás componentes de las plataformas a fin de ahorrar energía. Esta estrategia de “plataforma equilibrada” tiene por objeto mejorar todos los elementos en su conjunto para que las funciones integradas contribuyan a favorecer todos los factores en juego, desde el consumo eficaz de energía hasta la experiencia ideal del usuario.
El liderazgo de Intel en el desarrollo de arquitecturas con consumo eficaz de energía Hoy en día, gracias a la microarquitectura Intel® Core™, una nueva base de los procesadores con arquitectura Intel, el liderazgo de Intel en el desarrollo de arquitecturas con consumo eficaz de energía para plataformas móviles se proyecta a todos los segmentos. Por sus características de diseño, la microarquitectura Intel Core permite crear plataformas multi-core con un desempeño superior y un menor consumo de energía. Las nuevas plataformas de equipos de escritorio y móviles, y de servidores de uso general con esta arquitectura comenzaron a distribuirse en el tercer trimestre de 2006:
- El nuevo procesador Intel® Core™2 Duo para equipos móviles más que duplica el desempeño y ofrece hasta un 28 por ciento de reducción del consumo de energía en los equipos portátiles con la nueva tecnología de procesador Intel® Centrino® en comparación con los procesadores para equipos portátiles con arquitectura Intel® de la generación anterior.1
- Los nuevos procesadores Core 2 Duo para equipos de desktop ofrecen un desempeño hasta un 40% superior con un consumo más eficaz de energía en comparación con los procesadores Intel para equipos de desktop de la generación anterior.2
- El nuevo procesador Intel® Xeon® Dual-Core serie 5100 para servidores no sólo triplica el desempeño sino también el rendimiento por vatio respecto de los procesadores Intel Xeon de un solo núcleo de generaciones anteriores.3
- El nuevo procesador Intel Xeon Dual-Core LV 5148 para servidores de hoja en entornos con limitaciones de energía posee una potencia térmica nominal de diseño (TDP) de 40W, una importante mejora respecto del tope térmico de 110W de muchos chips de servidor.4
Optimización de los componentes de las plataformas para asegurar el consumo eficaz de energía e incrementar el desempeño Los investigadores, científicos e ingenieros de Intel están trabajando, según el enfoque holístico de la plataforma, con otras organizaciones líderes de la industria para reducir al mínimo el consumo de energía y a su vez mantener o aumentar el desempeño. Este objetivo se logrará mejorando la microarquitectura, la tecnología de procesos de silicio, el software y las tecnologías de plataformas, según se ilustra en la tabla 1.
Tabla 1: Mejoras del consumo de energía de la tecnología de procesos al sistema.
La plataforma con tecnología de procesador Intel Centrino Duo5 de próxima generación representa un excelente ejemplo de cómo puede optimizarse el consumo de energía al adoptarse un enfoque holístico de la plataforma y combinar la reducción del consumo de energía sobre la base del silicio con iniciativas de eficiencia energética y software con optimización de equipos móviles.
En estas nuevas plataformas, las funciones inteligentes de administración de energía, como por ejemplo, la función avanzada de compuertas para energía, permiten parar partes del núcleo del procesador incluso durante períodos de ejecución de alto desempeño, a fin de optimizar el desempeño y el consumo de energía. Por su parte, Intel(R) Dynamic Bus Parking permite ahorrar energía en la plataforma al permitir que el chipset se apague cuando el procesador se encuentra en estados de baja frecuencia, a fin de aumentar la duración de la batería.
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| Microarquitectura con consumo reducido de energía |
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Como parte del enfoque holístico de la plataforma, los investigadores de microarquitecturas de Intel están evaluando nuevas arquitecturas que sean "conscientes" de los problemas térmicos y de energía, y que puedan administrarlos de manera dinámica mientras se ejecutan las aplicaciones.
Microarquitecturas multi-core, de varios subprocesos y en clusters
Intel está trabajando para desarrollar los núcleos y clusters de procesadores que ofrezcan un equilibrio de carga optimizado. Este objetivo se logra mediante mecanismos combinados de software y hardware que examinen dinámicamente el uso, la prioridad y las características térmicas de una carga de trabajo.
Microarquitectura con optimización de energía
La microarquitectura Intel Core administrará el consumo de energía en el núcleo para mantener activa la funcionalidad esencial de un dispositivo mientras las demás funciones están en el modo inactivo y con ello reducirá el consumo de energía. Consulte la sección Técnicas de microarquitectura con optimización de energía, donde encontrará mayor información sobre estas técnicas.
Tecnología de caché Intel® inteligente
La memoria caché contribuye con el consumo de energía de los procesadores. Si se encontraran maneras de desactivarla y mantener la integridad de los datos y la coherencia de la memoria, podría ahorrarse energía. La tecnología de caché Intel® inteligente, un diseño de caché más inteligente y más eficaz, reduce al mínimo el tráfico del bus al permitir que los dos núcleos compartan totalmente la caché L2, adapta el tamaño de la caché según la demanda con Dynamic Intel® Smart Cache Flush y, además, ofrece la asignación dinámica de caché y un circuito lógico de control centralizado que permite optimizar la energía y reducir su consumo.
Tecnología mejorada Intel SpeedStep® y
conmutación basada en la demanda
Son dos las tecnologías nuevas o mejoradas que desempeñan un papel importante -y seguirán haciéndolo- a la hora de reducir el consumo de energía en las plataformas Intel®:
- La tecnología mejorada Intel SpeedStep adapta dinámicamente la frecuencia y la tensión según la necesidad de potencia de procesamiento a fin de reducir la energía media de tiempo de ejecución que se utiliza en los equipos portátiles y de escritorio, lo que se traduce en una reducción de hasta el 30% de energía y enfriamiento.
- La conmutación basada en la demanda, una tecnología de administración automática de la energía para servidores, reduce, según se ha demostrado, el consumo de energía de las plataformas en el orden del 25% en entornos de TI típicos. Las funciones avanzadas de predicción y supervisión de la energía que se ofrecerán con esta tecnología en las plataformas Intel para servidores en 2006 ayudarán a aumentar aún más la densidad computacional.
Diseño de circuitos de bajo consumo de energía
Además de las microarquitecturas con consumo reducido de energía, Intel está introduciendo innovaciones en el campo de la investigación de circuitos a fin de dar respuesta a los problemas de fuga de energía y de índole similar de los chips.
- La polarización del cuerpo consiste en ajustar dinámicamente la tensión aplicada al cuerpo de un transistor (polarización) a fin de manipular la tensión umbral, es decir, la tensión a la cual se enciende el transistor. Puede utilizarse el control localizado de la tensión de polarización para reducir las fugas durante períodos de inactividad o bien para aumentar el desempeño durante períodos de máxima actividad.
- Los transistores de desactivación dinámica pueden apagarse cuando un bloque de circuitos lógicos se encuentra en el modo inactivo y con ello, pueden reducirse las fugas.
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Consumo de energía y transistores Intel, basándose en su vasta experiencia de primer nivel en la tecnología de procesos de silicio y la fabricación a gran escala, está trabajando a fin de resolver los problemas de consumo de energía al reducir la fuga en los transistores, disminuir la resistencia y capacitancia de las interconexiones e investigar estructuras y materiales nuevos para los transistores. Muchos de los descubrimientos más recientes permitirán reducir de manera considerable el consumo de energía en los futuros productos Intel.
Nueva tecnología de procesos
Intel posee una vasta trayectoria en la que destaca su constante introducción de las principales tecnologías de procesos en un ciclo más rápido que el del resto de la industria. Además de comenzar la producción a escala de la tecnología de procesos de 65nm al menos un año antes que la competencia, Intel está desarrollando una tecnología de procesos de 65nm de ultrabajo consumo de energía que permitirá producir chipsets de muy bajo consumo de energía para plataformas de equipos móviles y dispositivos de formato pequeño. Este proceso se ocupa de las tres principales fuentes de fuga de los transistores a fin de reducir la fuga total alrededor de 1.000 veces y mantener un 50% de la corriente de empuje. Además, este proceso ofrecerá otras opciones para proporcionar la densidad de circuitos, el desempeño y el nivel de consumo de energía que necesitan los usuarios de dispositivos a batería. Paralelamente, Intel está desarrollando sus dos próximas generaciones de procesos de 45nm y 32nm.
Transistores e interconexiones
Intel despliega una incesante labor de investigación para crear nuevos diseños de transistores e interconexiones de menor consumo de energía y ha implementado muchos de ellos en las actuales tecnologías de procesos. Algunas de las últimas innovaciones que se incorporaron al actual proceso de producción son:
- El silicio tensionado patentado de Intel, ahora en su segunda generación. El silicio tensionado reduce la fuga de corriente 5 veces o más (y, por ende, el consumo de energía y la disipación térmica) sin disminuir el desempeño.
- El óxido de carbono (CDO) de segunda generación. El CDO se utiliza en el proceso de 65nm y al combinarse con una nueva capa de película aislante, reduce aún más la capacitancia de las interconexiones a fin de disminuir el consumo de energía.
Entre las tecnologías que se incorporarán en futuros procesos cabe mencionar:
- Material dieléctrico de altas constantes "High-k" de compuerta y compuerta metálica. Intel ha demostrado que con estos materiales, pueden reducirse las fugas más de 100 veces en comparación con el dióxido de silicio de hoy en día.
- Transistores de tres compuertas. Este novedoso diseño tridimensional mejora la corriente de empuje y reduce la fuga por debajo del umbral.
Componentes de las plataformas
Además de optimizar el consumo de energía de sus propios productos, las innovaciones de Intel y su liderazgo en el sector han desempeñado un papel de suma importancia a la hora de impulsar la optimización del consumo de energía en toda la industria informática. Intel ha trabajado a través de diversos grupos del sector y organizaciones de normalización a fin de impulsar iniciativas que permitan obtener un mayor desempeño con un menor consumo de energía desde toda la plataforma.
Al trabajar en colaboración con el Natural Resources Defense Council (NRDC), Intel introdujo cambios en sus directrices de diseño de fuentes de alimentación de energía a fin de fomentar el desarrollo y la adopción de fuentes de alimentación de menor consumo, por lo que recibió un premio especial* de la agencia de protección ambiental (EPA) de los EE.UU. en reconocimiento de su labor. La EPA estima que el logro de los objetivos recomendados en la guía de diseño de Intel tendrá un impacto ambiental que se traducirá en un ahorro de electricidad de más de 16 mil millones de kilovatios horas por año y en una reducción de las emisiones de carbono de más de 10 millones de toneladas de CO2 por año.
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| Técnicas de microarquitecturas con optimización de energía |
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A continuación se señalan algunas tecnologías y técnicas de administración de energía que se utilizan, o se utilizarán, en diversas plataformas de procesadores Intel®.
- La función de actualización dispersa actualiza en la pantalla sólo los píxeles que deben modificarse.
- Execution Trace Cache elimina la redundancia en la microarquitectura.
- La función de compuertas para energía garantiza que los dispositivos de la microarquitectura sólo se activen cuando es necesario. Sossaman, un procesador Intel® Xeon® Dual-Core de bajo consumo de energía que próximamente se lanzará al mercado, utilizará esta función como uno de los medios para reducir el consumo de energía en un factor estimado de tres en las configuraciones densas de servidores de hoja y bastidor.
- Intel® Dynamic Power Coordination ajusta de manera automática el desempeño y la energía entre los dos núcleos de procesamiento a solicitud.
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| Reducción del consumo de energía de los componentes de las plataformas |
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A continuación se indican algunas técnicas de administración de energía que se utilizan para reducir el consumo de energía de diversos componentes de las plataformas.
Acústica de la plataforma.
Entre las técnicas cabe mencionar el uso del formato BTX que permite reducir las velocidades de los ventiladores, el nivel de ruido y el costo de distribución de energía, además de mejorar el estado de detención a fin de disminuir de manera considerable el consumo de energía en el estado inactivo mediante la reducción de la velocidad de reloj del procesador.
Pconfig y Power Supply Management Interface (PSMI).
Estas dos tecnologías permiten administrar más adecuadamente la densidad de bastidores de los centros de datos. Las herramientas Pconfig y PSMI, utilizadas junto con fuentes de alimentación que cuentan con funciones de supervisión, permiten al departamento de sistemas efectuar el seguimiento del uso de servidores a fin de controlar con mayor precisión la expansión de energía durante el enfriamiento.
Herramientas Intel® Power.
Estas herramientas permiten adoptar un método estandarizado para optimizar el consumo de energía en el bastidor.
"Hypernate".
Se trata de un estado de bajo consumo de energía que ahorrará energía cerca del modo “suspender para el disco” de la interfaz de energía y configuración avanzada (ACPI) pero con mucho menos latencia (es decir que el sistema se "despierta" con mayor rapidez).
Link Power Management.
Esta norma de la industria impulsada por Intel permite aumentar la velocidad de transferencia de datos en la conexión del disco duro ATA serie y a la vez reducir el consumo de energía.
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En el año 2000, la EPA galardonó a Intel con su premio por la protección ambiental en reconocimiento de su tecnología de Administración de energía de PC disponible al instante, que permite a los sistemas reducir el consumo mucho más que con la norma original Energy Star*. La EPA estima que si todos los equipos personales de los EE.UU. utilizaran esta tecnología, podrían ahorrarse más de 300 millones de dólares en costos de energía por año.
En la sección Reducción del consumo de energía de los componentes de las plataformas, podrá encontrar otras técnicas que se utilizan para reducir el consumo de energía de diversos componentes de las plataformas.
Software
Intel ofrece a los desarrolladores las herramientas que los ayudarán a crear aplicaciones con consumo reducido de energía. Por ejemplo, el Analizador de desempeño VTune™ de Intel® optimiza el código para que tarde menos tiempo en ejecutar una determinada tarea, con lo cual se reduce el consumo general de energía. Asimismo, Intel desarrolló la herramienta Intel® Mobile Voltage Positioning (Intel® MVP) y un voltímetro digital para optimizar la regulación de la tensión en los procesadores para equipos móviles durante el uso de aplicaciones. Intel MVP es una tecnología que regula dinámicamente la tensión del procesador (VCC) según su actividad con el fin de reducir el consumo de energía del procesador. Permite incrementar la velocidad de reloj del procesador con el mismo consumo de energía o reducir el consumo a una determinada frecuencia del reloj.
Resumen El fenomenal desarrollo de información en todo el mundo y la creciente demanda de los consumidores de equipos móviles más pequeños, más potentes y más versátiles con una batería de más larga duración seguirán alimentando la necesidad de contar con dispositivos informáticos de desempeño superior. Al mismo tiempo, por razones ambientales y económicas, es imprescindible reducir el consumo de energía de los sistemas informáticos y de computación ya que la mera cantidad de sistemas y sus funciones siguen en constante aumento.
Al abordar la plataforma en su totalidad y no sólo sus partes, el método holístico de Intel para optimizar el consumo de energía ayudará a la industria a encontrar todas las variables de cada plataforma que permitan ahorrar energía, reducir el impacto ambiental y seguir aprovechando las ventajas del desempeño según las predicciones de la Ley de Moore.
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1 www.intel.com/products/centrino/duo
2 www.intel.com/products/processor/core2duo
3 download.intel.com/products/processor/xeon/dc51kprodbrief.pdf
4 www.intel.com/design/intarch/dualcorexeon/5100
5 www.intel.com/products/centrino/centrino/index.htm
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Toda la información relacionada con los productos y planes futuros de Intel es preliminar y está sujeta a cambios en cualquier momento y sin previo aviso.
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