المبدأ: كفاءة الطاقة

مكتمل

لا يزال محتوى هذا الفيديو صالحا، ولكن قد تختلف أرقام المبادئ بسبب إعادة ترقيم مبدأ مؤسسة البرامج الخضراء.

الكهرباء والكربون

يعتقد معظم الناس أن الكهرباء مورد طاقة نظيفاً. فعندما نقوم بتوصيل شيء ما بالحائط، لا تتسخ أيدينا، ولا تحتاج أجهزة الكمبيوتر المحمولة لدينا إلى أنابيب عادم. لكن الحقيقة أن معظم الكهرباء يتم إنتاجها من خلال حرق الوقود الحفري (عادةً الفحم) وإمدادات الطاقة هي السبب الأكبر وراء انبعاثات الكربون.

ولأننا نستطيع أن نرسم خطا مباشرا من الكهرباء إلى انبعاثات الكربون، يمكننا أن نعتبر الكهرباء أحد وكلاء الكربون.

تستهلك جميع البرامج الكهرباء في تنفيذها، بدءاً من التطبيقات التي تعمل على هاتفك الذكي إلى تدريب نماذج التعلم الآلي التي تعمل في مراكز البيانات. إحدى أفضل الطرق للحد من استهلاك الكهرباء وانبعاثات التلوث الكربوني اللاحقة لبرامجنا هي جعل تطبيقاتنا أكثر كفاءة في استخدام الطاقة.

هذه المعرفة هي السبب في أن أحد المبادئ الرئيسية للهندسة البرمجية المستدامة هو بناء تطبيقات فعالة في استخدام الطاقة.

بصفتنا مهندسين للبرمجيات المستدامة، نحتاج إلى فهم كيفية عمل الكهرباء. رحلتنا لا تبدأ بالكمبيوتر. يبدأ الأمر بكيفية صنع الكهرباء التي تعمل على أجهزة الكمبيوتر الخاصة بنا.

الطاقة في مقابل الكهرباء

تقيس الطاقة كمية الكهرباء المستخدمة؛ الوحدة القياسية للطاقة هي Joules أو J. ومع ذلك، فإن كيلووات ساعة أو كيلوواط ساعة هي طريقة شائعة أخرى للإشارة إلى استهلاك الطاقة.

غالبًا ما يتم الإبلاغ عن الكهرباء على أنها الطاقة الكهربائية أو الطاقة، وهما مفهومان مختلفان:

الطاقة = القوة ✕ الوقت

  • الطاقة هي إجمالي كمية الكهرباء المستخدمة؛ الوحدة القياسية للطاقة هي Joules أو J.

  • الطاقة هي معدل الكهرباء المستهلكة لكل وحدة زمنية؛ الوحدة القياسية للطاقة هي واط أو W. واط واحد هو 1 جول في الثانية.

توجد طريقة شائعة للإشارة إلى استهلاك الطاقة وهي الطاقة الكهربائية على وحدة زمنية، مثل واط ثانية أو كيلووات ساعة. على سبيل المثال:

  • 20 واط ثانية أو 20 Ws كمية الطاقة التي ستحصل عليها إذا 20 W تم تشغيلها لثانية واحدة. نظرا لأن 1 وات هو 1 جول في الثانية، فإن هذه القيمة هي 20 جول.

  • 20 كيلووات ساعة أو 20 kWh هي الطاقة التي ستحصل عليها إذا ركض 20000 وات لمدة ساعة واحدة.

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

تناسب الطاقة

يقيس الاستخدام مقدار موارد الكمبيوتر المستخدمة، والتي يتم تمثيلها عادة كنسبة مئوية. الكمبيوتر الخامل لديه نسبة استخدام منخفضة ولا يتم استخدامه. الكمبيوتر الذي يعمل بأقصى طاقته لديه نسبة عالية ويتم استخدامه بالكامل.

تناسب الطاقة هو مقياس للعلاقة بين الطاقة المُستهلكة في نظام حاسوبي ومعدل إنجاز العمل المفيد (استخدامه). إذا كان استهلاك الطاقة الكلي متناسبا مع استخدام الكمبيوتر، فإن الطاقة متناسبة.

وفي نظام يتناسب مع الطاقة، تكون كفاءة الطاقة ثابتة؛ بغض النظر عن الاستخدام، لا تزال كفاءة الطاقة كما هي. ومع ذلك، فإن كفاءة الطاقة للأجهزة ليست ثابتة. يختلف ذلك باختلاف السياق. نظرا للتفاعلات المعقدة للعديد من مكونات الأجهزة المختلفة، يمكن أن تكون غير خطية، ما يعني أن العلاقة بين الطاقة والاستخدام غير متناسبة.

Diagram showing power versus utilization.

عند الاستخدام بنسبة 0٪، لا يزال الكمبيوتر يسحب 100 W؛ عند الاستخدام بنسبة 50٪، فإنه يرسم 180 W، وعند الاستخدام بنسبة 100٪، فإنه يسحب 200 W. العلاقة بين استهلاك الطاقة والاستخدام ليست خطية، ولا تعبر الأصل.

بسبب هذه العلاقة، كلما استخدمت جهاز كمبيوتر، أصبح أكثر كفاءة في تحويل الكهرباء إلى عمليات الحوسبة المفيدة. يستهلك تشغيل عملك على أقل عدد ممكن من الخوادم مع أعلى معدل استخدام على زيادة كفاءة الطاقة.

سحب ثابت للطاقة

هناك أسباب مختلفة لهذا النقص في تناسب الطاقة، وأحدها هو سحب الطاقة الثابتة.

لا يزال الكمبيوتر الخامل، حتى عند الاستخدام الصفري في المئة، يسحب الكهرباء. يختلف السحب الثابت للطاقة باختلاف مكونات التكوين والأجهزة، ولكن تحتوي كل المكونات على قليل من السحب الثابت للطاقة. هذا السحب المحتمل للطاقة هو أحد الأسباب التي تجعل أجهزة الكمبيوتر وأجهزة الحاسب المحمولة والأجهزة النقالة مزودة بوسائل توفير الطاقة المتاحة. إذا كان الجهاز الخاما، فإنه يؤدي في النهاية إلى وضع الإسبات، ما يضع القرص والشاشة في وضع السكون، أو حتى يغير تردد وحدة المعالجة المركزية. توفر أوضاع توفير الطاقة هذه الكهرباء ولكن لها مفاضلات أخرى، مثل إعادة التشغيل البطيئة عند تنبيه الجهاز.

لا يتم تكوين الخوادم عادة لتوفير الطاقة بشكل قوي أو حتى الحد الأدنى. تتطلب العديد من حالات استخدام الخادم سعة كاملة في أسرع وقت ممكن استجابة للمطالب المتغيرة بسرعة. يمكن أن يترك هذا السيناريو العديد من الخوادم في وضع الخمول خلال فترات الطلب المنخفض. كما أن للخادم المعطل تكلفة من الكربون المضمن واستخدامه غير الفعال.

سرعة الساعة

سرعة الساعة (التردد) هي سرعة تشغيل الكمبيوتر أو المعالج الدقيق، ويعبر عنها بالدورات في الثانية (ميغاهرتز). غالبا ما تقوم أجهزة المستهلك بضبط سرعة الساعة لأجهزة الحوسبة بشكل ديناميكي لتحقيق المزيد من تناسب الطاقة.

تشير سرعة الساعة إلى مدى سرعة الكمبيوتر في تنفيذ التعليمات.

تتغير كفاءة الطاقة للمعالجات الدقيقة بسرعة الساعة؛ غالبا ما تكون سرعات الساعة العالية أقل كفاءة في استخدام الطاقة من سرعات الساعة المنخفضة. على سبيل المثال، في نظام I7-3770K، يمكنك تشغيل في 3.5 GHz ل 50 Wأو حول 5 GHz ل 175 W. تتطلب >زيادة تقريبية بنسبة 40٪ في سرعة الساعة زيادة في الطاقة بنسبة 3✕ .

يمكن أن يؤدي تقليل سرعة الساعة في أوقات الاستخدام المنخفض إلى زيادة كفاءة الطاقة، وبالتالي زيادة كفاءة الطاقة للأجهزة إلى أقصى حد.