您知道嗎,全球數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)耗電量高達數(shù)百太瓦時(TWH),占全球總用電量的1-2%。移動數(shù)據(jù)傳輸需求不斷飆升,全球各地數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)所消耗的能源也隨之增加。因此,移動網(wǎng)絡(luò)的性能需要優(yōu)化,吞吐量要求也需要降低。
我們往往會忽略與數(shù)據(jù)傳輸?shù)郊校ㄔ贫耍┪恢孟嚓P(guān)的“隱藏”成本及數(shù)據(jù)存儲成本。為了降低能耗,我們可以考慮在本地處理數(shù)據(jù),而不是通過云網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)存儲和/或通信。這樣就可以在不同的物理位置處理數(shù)據(jù),無論是邊緣(傳感器)、云端,還是中間的各個位置?;颈镜財?shù)據(jù)之間、之外,還將進行多個過程吸收來自物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、本地數(shù)據(jù)中心、小區(qū)站點等來源的數(shù)據(jù)。
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圖1:2018-2028年全球月移動數(shù)據(jù)流量(信息來源:ericsson.com)
圖1展示了數(shù)據(jù)傳輸(消耗的電力占全球總耗電量的1-2%)在未來幾年的上升。這意味著,除非用電量大幅降低,通信和計算將占據(jù)全球用電量的更大份額。這就為增加數(shù)據(jù)本地化處理提供了動力。將數(shù)據(jù)處理分散到其他地點,可以優(yōu)化能源的總體使用——更多的系統(tǒng)采用“邊緣處理”模式。邊緣處理可帶來更多的好處,如增強隱私和數(shù)據(jù)保護,但如何才能實現(xiàn)呢?
應(yīng)對邊緣處理挑戰(zhàn)
節(jié)約能源還有更多意義。邊緣處理是正確的方向,但仍然需要從眾多部署方案中做出選擇。應(yīng)用映射愈發(fā)復(fù)雜,卻也帶來了更多的樂趣。幾十年前,嵌入式微控制器和處理器都由帶有相應(yīng)I/O的單一CPU構(gòu)成。在這種環(huán)境下,算法在哪里運行一目了然:它們都在同一個CPU上執(zhí)行。
如今情況已大不相同:現(xiàn)代化嵌入式處理器(如恩智浦i.MX產(chǎn)品系列)既有CPU,也有圖形處理單元(GPU)、神經(jīng)處理單元(NPU)、信號處理單元(DSP)及各種硬件加速器。將應(yīng)用映射到可用的芯片上成為了有趣的挑戰(zhàn)。是想在CPU、GPU、NPU、DSP上運行算法還是想在加速器上運行算法?請注意系統(tǒng)的軟件復(fù)雜性是如何增加的。
能耗優(yōu)化是設(shè)計和制造邊緣處理器件時需要考慮的另一個方面。這就需要平衡動態(tài)能耗。動態(tài)能耗會受到多種因素的影響,例如CPU頻率、工作負(fù)載、其他加速器的使用情況、外部存儲器的數(shù)據(jù)流量、系統(tǒng)組件的使用狀態(tài)(如顯示器和背光)、Wi-Fi等連接方式以及環(huán)境溫度等。靜態(tài)能耗是指芯片中通電而不受門控控制的部分,也就是處理單元執(zhí)行的操作。
探索如何在SoC設(shè)計中進一步降低能耗至關(guān)重要。在邊緣降低能耗意味著需要優(yōu)化在邊緣使用的芯片的能耗。該圖展示了隨著時間的推移,為降低能耗在芯片和系統(tǒng)方面開發(fā)的各種機制。
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圖2:SoC設(shè)計中降低能耗的機會,從晶體管到系統(tǒng)層面
系統(tǒng)和芯片設(shè)計中的能耗優(yōu)化
在實踐中,優(yōu)化能耗是打造卓越系統(tǒng)和芯片設(shè)計工作流程的重要一環(huán)。恩智浦除了高能效i.MX 7ULP和i.MX 8ULP等獨特SoC外,還在使用場景中優(yōu)化芯片的不同電源模式。我們的能效應(yīng)用筆記詳細(xì)介紹了各種能效方法,這些方法可以通過我們的BSP SW(廣泛的支持包軟件)來實現(xiàn),應(yīng)用筆記還可向客戶提供有用的部署指導(dǎo)。
此外,我們重點關(guān)注如何通過共同設(shè)計PMIC在系統(tǒng)級別盡可能簡化設(shè)備的整體電源管理。我們還采用低能耗DRAM(LP4、LP4X、LP5),降低系統(tǒng)級能耗(較低的工作電壓和待機時自刷新模式等)。
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部署和生命周期中的節(jié)能策略
人們非常關(guān)注設(shè)備和系統(tǒng)的優(yōu)化,包括設(shè)備架構(gòu)、設(shè)計、制造和系統(tǒng)開發(fā),以及產(chǎn)品的開發(fā)。但目前許多產(chǎn)品在市場上的使用壽命比較短。消費者每隔幾年就要進行一次升級,使用新的硬件。這造成了浪費,但也是改進的機會。
除了使用硬件設(shè)備外,消費者還可以利用設(shè)備日益增強的軟件能力來最大限度地延長其使用壽命。隨著時間的推移,升級軟件可以提供更多功能,從而延長產(chǎn)品的使用壽命。要支持這一概念,就需要滿足安全要求的龐大生態(tài)系統(tǒng),設(shè)備只需加載必要軟件。恩智浦在這方面也進行了大量的開發(fā)工作。
開發(fā)邊緣機器學(xué)習(xí)(ML)應(yīng)用需要保證安全性和高能效。下載閱讀恩智浦電子書《邊緣計算精要》,了解詳情。
圖3:現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心中的服務(wù)器機架
更進一步——未來的展望
本博文從芯片行業(yè)的角度探討了可持續(xù)發(fā)展的幾個方面。首先,文章介紹了邊緣和云之間通信網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化。其次,描述了SoC芯片的工作負(fù)載優(yōu)化及相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計。最后,還簡要地討論了生命周期管理,這是延長設(shè)備市場使用壽命的必要條件。
恩智浦半導(dǎo)體致力于打造更環(huán)保的世界,文中列舉了其在多個方面開展的工作。然而,要實現(xiàn)這一目標(biāo),需要跨行業(yè)的合作。在半導(dǎo)體界,大多數(shù)工程工作仍然專注于短期性能優(yōu)化目標(biāo),卻沒有明確針對能耗或長期可持續(xù)性進行優(yōu)化。要扭轉(zhuǎn)這種局面,必須改變思維方式。
本文作者
Wim Rouwet是恩智浦半導(dǎo)體公司的一位杰出技術(shù)人員。Wim專注于3GPP LTE和5G以及802.11處理協(xié)議棧及其應(yīng)用方案,負(fù)責(zé)與多個無線基礎(chǔ)設(shè)施項目有關(guān)的4G和5G協(xié)議棧開發(fā)、小基站以及CRAN應(yīng)用方案。
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原文標(biāo)題:邊緣計算中的能耗難題,有解嗎?
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