原则 5:能量均衡

利用率是衡量电脑资源被使用程度的指标,通常用百分比来表示。闲置的电脑利用率低,没有被利用;以最大容量运行的电脑利用率高,被充分利用。

能量均衡 是衡量电脑系统的功耗与完成有用工作的速度(其利用率)之间关系的指标。如果总体功耗与电脑的利用率成正比,则称其能量均衡。

在能量均衡系统中,能效是一个常数,无论利用率如何变化,能效都是不变的。然而,硬件的能效并不是恒定的。它因环境而异。由于硬件设备的许多不同组件之间的交互很复杂,因此它可能是非线性的,这意味着功率和利用率之间的关系不成比例。

https://docs.microsoft.com/zh-cn/learn/modules/sustainable-software-engineering-overview/media/7-energy-proportionality-1.svg

利用率为 0% 时,电脑的功耗仍为 100 W;利用率为 50% 时,功耗为 180 W;利用率为 100% 时,功耗为 200 W。功耗与利用率之间的关系不是线性的,它不在原点相交。

由于这种关系,你对电脑的利用率越高,它将电能转化为有用计算操作的效率就越高。 在尽可能少但利用率最高的服务器上运行你的工作,可以最大限度地提高其能源效率。

静态功耗

造成能量不均衡的原因有多种,其中之一就是静态功耗。

一台闲置电脑,即使利用率为零,也会消耗电能。 这种静态功耗因配置和硬件组件而异,但所有组件都有一定的静态功耗。 这种潜在功耗是电脑、笔记本电脑和移动设备提供节能模式的原因之一。 如果设备处于闲置状态,最终会触发休眠模式,使磁盘和屏幕进入睡眠状态,甚至改变 CPU 频率。 这些节能模式可以节省电力,但也有其他损失,比如设备唤醒时重启速度较慢。

服务器通常不会配置为激进模式,甚至最低限度的节能模式。 许多服务器用例要求尽快满负荷运行,以应对快速变化的需求。 这种情况会使许多服务器在低需求期间处于闲置模式。 闲置的服务器需要付出内含碳和低效利用的代价。

时钟速度

时钟速度(频率)是指电脑或其微处理器的工作速度,以每秒循环数(兆赫)表示。 动态调整计算设备的时钟速度通常用于消费类设备,目的是使能量更均衡。

时钟速度表示电脑执行指令的速度。

微处理器的能效随时钟速度而变化,高时钟速度往往比低时钟速度更不节能。 例如,在 I7-3770K 系统中,3.5 GHz 运行速度的功率为 50 W,5 GHz 运行速度的功率为 175 W 左右。时钟速度增加大约 40%,需要增加 >3 倍以上的功率。

考虑到这一点,在利用率较低时降低时钟速度可以提高能效,从而最大限度地提高硬件的能效。