La proporcionalidad energética es una medida de la relación entre la potencia consumida en un sistema informático y la velocidad a la que se realiza el trabajo útil (su utilización, que es una medida del rendimiento). Si el consumo total de energía es proporcional a la utilización de la computadora, entonces se dice que la máquina es proporcional a la energía. De manera equivalente, para una computadora proporcional con energía idealizada, la energía global por operación (una medida de eficiencia energética) es constante para todas las cargas de trabajo y condiciones de operación posibles. El concepto fue propuesto por primera vez en 2007 por los ingenieros de Google, Luiz André Barroso y Urs Hölzle, quienes instaron a los arquitectos informáticos a diseñar servidores que serían mucho más eficientes energéticamente para la configuración del centro de datos. La computación proporcional a la energía es actualmente un área de investigación activa y se ha destacado como un importante objetivo de diseño para la computación en la nube. Hay muchos desafíos técnicos pendientes en el diseño de computadoras proporcionales a la energía. Además, el concepto de proporcionalidad energética no está inherentemente restringido a la computación. Aunque se han realizado innumerables avances en la eficiencia energética en disciplinas no informáticas, no se han evaluado rigurosamente en términos de su proporcionalidad energética.

Antecedentes en la sostenibilidad energética La energía sostenible es el ideal de que la sociedad debe satisfacer sus necesidades energéticas sin afectar negativamente a las generaciones futuras, y que varias organizaciones, gobiernos e individuos han estado defendiendo. Para cumplir con este ideal, se requieren mejoras de eficiencia en tres aspectos del ecosistema energético:

Generación de energía Almacenamiento de energía Consumo de energía

Dado que nuestra necesidad de generación y almacenamiento de energía está impulsada por nuestra demanda, las formas más eficientes de consumir energía pueden generar grandes mejoras en la sostenibilidad energética. Los esfuerzos en el consumo de energía sostenible se pueden clasificar a un alto nivel según las tres categorías siguientes:

Reciclaje: Captura y recupera la energía desperdiciada para hacer más trabajo, que de lo contrario se perdería como calor. Reutilización: Amortizar el costo de generación, almacenamiento y entrega de energía compartiendo la energía y su infraestructura entre diferentes cargas Reducción: Reduzca la demanda de energía haciendo más trabajo con menos energía (mejore la eficiencia del consumo), o no haciendo ese trabajo, sino cambiándolo por otro distinto.

Muchos esfuerzos para hacer que el consumo de energía sea más sostenible se centran en el tema "reducir" para cargas de trabajo impredecibles y dinámicas (que se encuentran comúnmente en la informática). Esto puede ser considerado como gestión de energía. Estos esfuerzos se pueden agrupar en dos enfoques generales, que no son específicos de la computación, pero se aplican comúnmente en ese dominio:

 Apagado inactivo: esta técnica explota las brechas en la demanda de carga de trabajo para apagar los componentes que están inactivos. Cuando se apaga, los componentes no pueden hacer ningún trabajo útil. Los problemas exclusivos de este enfoque son: (1) cuesta tiempo y energía hacer la transición entre los estados de apagado activo y inactivo, (2) no se puede trabajar en el estado apagado, por lo que se debe hacer un encendido para manejar una solicitar, y (3) es difícil predecir los períodos de inactividad y adaptarse adecuadamente eligiendo el estado de potencia correcto en cualquier momento. Escalado de rendimiento activo: a diferencia de la inactividad inactiva, este enfoque permite que se realice el trabajo en cualquier estado, todos los cuales se consideran activos, pero con diferentes ventajas y desventajas entre potencia y rendimiento. Por lo general, los modos más lentos consumen menos energía. Los problemas exclusivos de este enfoque son: (1) es difícil determinar qué combinación de estados es la más eficiente energéticamente para una aplicación, y (2) las mejoras de eficiencia energética generalmente no son tan lucrativas como las de los modos inactivos de apagado .

En la práctica, ambos tipos de enfoques se utilizan comúnmente y se mezclan.

Motivación para la proporcionalidad de energía Hasta alrededor de 2010, las computadoras estaban lejos de ser proporcionales a la energía por dos razones principales. Un problema crítico es la alta potencia estática, lo que significa que la computadora consume mucha energía incluso cuando está inactiva. La alta potencia estática es común en los servidores debido a sus optimizaciones de arquitectura, circuitos y fabricación que favorecen un rendimiento muy alto en lugar de una potencia baja. La alta potencia estática en relación con la potencia máxima cargada da como resultado un rango dinámico bajo, una baja proporcionalidad energética y, por lo tanto, una eficiencia muy baja en aplicaciones de baja a media utilización.  Esto puede ser aceptable para los sistemas informáticos de alto rendimiento y las cargas de trabajo, que intentan extraer la máxima utilización posible de las máquinas, donde son más eficientes. Sin embargo, en los centros de datos modernos que ejecutan aplicaciones de computación en la nube populares y de gran escala, los servidores pasan la mayor parte de su tiempo en torno al 30% de utilización, y rara vez se ejecutan con carga máxima, lo que es un punto de operación muy ineficiente para los servidores típicos.

La segunda razón principal es que los diversos estados operativos de hardware para la administración de energía pueden ser difíciles de usar de manera efectiva. Esto se debe a que los estados de baja potencia más profundos tienden a tener una latencia de transición y costos de energía mayores que los estados de baja potencia más ligeros. Para las cargas de trabajo que tienen ráfagas de actividad frecuentes e intermitentes, como las consultas de búsqueda web, esto evita el uso de estados de potencia más bajos sin incurrir en penalizaciones de latencia significativas, que pueden ser inaceptables para la aplicación.

El hardware informático proporcional a la energía podría resolver este problema al ser eficiente en los niveles de utilización medios, además del rendimiento óptimo y los estados de inactividad (que pueden permitirse el uso de modos de suspensión de potencia profunda y baja). Sin embargo, lograr este objetivo requerirá muchas innovaciones en arquitectura de computadora, microarquitectura, y tal vez circuitos y tecnología de fabricación. El beneficio final sería una mayor eficiencia energética, lo que permitiría un hardware de computadora más económico, el aprovisionamiento del centro de datos, los costos de los servicios públicos de energía y el costo total de propiedad (TCO) general.

Investigación en informática proporcional a la energía Desde el documento de Barroso y Hölzle de 2007 en IEEE Computer, muchos investigadores han comenzado a abordar el problema de la computación proporcional a la energía de diversas maneras y en diferentes componentes.

CPU La CPU fue el primer y más obvio componente para que los investigadores se centrasen en la eficiencia energética y la baja potencia. Esto se debe a que tradicionalmente ha sido el mayor consumidor de energía en las computadoras. Debido a las muchas innovaciones en tecnología de baja potencia, dispositivos, circuitos, microarquitectura y automatización del diseño electrónico, las CPUs de hoy en día se han mejorado mucho en eficiencia energética. Esto ha llevado a una situación en la que las CPUs ya no dominan el consumo de energía en una computadora

Algunos ejemplos más conocidos de las muchas innovaciones en la eficiencia energética de la CPU incluyen los siguientes:

Control de reloj: la distribución de reloj a unidades funcionales completas en el procesador está bloqueada, lo que ahorra energía dinámica de la carga y descarga capacitiva de puertas y cables síncronos.V. Tiwari, D. Singh, S. Rajgopal, G. Mehta, R. Patel, and F. Baez, "Reducing power in high-performance microprocessors," in Proceedings of the 35th annual conference on Design automation conference - DAC ’98. New York, New York, USA: ACM Press, May 1998, pp. 732–737. [Online]. Available: http://dl.acm.org/citation.cfm?id=277044.277227Q. Wu, M. Pedram, and X. Wu, "Clock-gating and its application to low power design of sequential circuits," IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Fundamental Theory and Applications, vol. 47, no. 3, pp. 415–420, Mar. 2000. [Online]. Available: http://ieeexplore.ieee.org/lpdocs/epic03/wrapper.htm?arnumber=841927N. H. E. Weste and D. M. Harris, CMOS VLSI Design: A Circuits and Systems Perspective, 4th ed. Addison-Wesley, 2011. Regulación de alimentación: las unidades funcionales completas del procesador están desconectadas de la fuente de alimentación, por lo que consumen una potencia cero.Z. Hu, A. Buyuktosunoglu, V. Srinivasan, V. Zyuban, H. Jacobson, and P. Bose, "Microarchitectural techniques for power gating of execution units," in Proceedings of the 2004 international symposium on Low power electronics and design - ISLPED ’04. New York, New York, USA: ACM Press, Aug. 2004, p. 32. [Online]. Available: http://dl.acm.org/citation.cfm?id=1013235.1013249 Ámbitos de voltaje múltiple: diferentes partes del chip se suministran desde diferentes reguladores de voltaje, de manera que cada uno puede ser controlado individualmente para escalar o conectar la fuente de alimentación. Diseños de voltaje de umbrales múltiples: los diferentes transistores en el diseño utilizan voltajes de umbral diferentes para optimizar el retardo y / o la potencia. Escalado de frecuencia dinámica (DFS): la frecuencia de reloj del procesador se ajusta de forma estática o dinámica para lograr diferentes compromisos de potencia / rendimiento. Escalado dinámico de tensión (DVS): la tensión de alimentación del procesador se ajusta de forma estática o dinámica para lograr diferentes compromisos de potencia / confiabilidad / rendimiento."A Survey Of Architectural Techniques for Near-Threshold Computing", S. Mittal, ACM JETC, 2015 Escalado dinámico de voltaje / frecuencia (DVFS): tanto el voltaje como la frecuencia varían dinámicamente para lograr mejores compensaciones de potencia / rendimiento de lo que DFS o DVS solo pueden ofrecer.S. Herbert and D. Marculescu, "Analysis of dynamic voltage/frequency scaling in chip-multiprocessors," in Proceedings of the 2007 international symposium on Low power electronics and design - ISLPED ’07. New York, New York, USA: ACM Press, 2007, pp. 38–43. [Online]. Available: http://portal.acm.org/citation.cfm?doid=1283780.1283790

Tenga en cuenta que todas las innovaciones anteriores para el consumo de energía de la CPU precedieron al documento de Barroso y Hölzle sobre la proporcionalidad de la energía. Sin embargo, la mayoría de ellos ha contribuido con una combinación de los dos tipos generales de administración de energía mencionados anteriormente, a saber, apagado inactivo y escalamiento de rendimiento activo. Estas innovaciones han hecho que las CPU amplíen su poder relativamente bien en relación con su utilización, lo que las convierte en el componente de hardware de computadora más proporcional a la energía. A diferencia de las CPU, la mayoría de los demás componentes del hardware de la computadora carecen de controles de administración de energía, especialmente aquellos que permiten la escalada activa del rendimiento. Las CPU se promocionan como un buen ejemplo de ingeniería informática proporcional a la energía que otros componentes deberían esforzarse por emular.

Memoria