عملکرد به ازای توان مصرفی

در حوزه محاسبات، «عملکرد به ازای توان مصرفی» (Performance per watt) معیاری برای مقایسه بازدهی انرژی یک معماری کامپیوتری مشخص است. به بیاناین معیار نشان می‌دهد یک کامپیوتر به ازای هر وات توان مصرفی میزان پردازش آن چه مقدار است. این معیار، معمولا با استفاده از بنچمارک LINPACK اندازه‌گیری می‌شود تا امکان مقایسه سیستم‌های محاسباتی فراهم باشد. به طور مثال، فهرست Green500 سوپرکامپیوترها از این معیار بهره می‌برد.

طراحان کامپیوترهای موازی، اغلب CPUها را بر اساس عملکرد آنها در هر وات برق انتخاب می‌کنند، چون هزینه تأمین برق CPU از خود CPU بیشتر است.

همچنین سیستم پروازهای فضایی محدودیت‌های در مورد حداکثر توان موجود و  الزاماتی در مورد حداقل عملکرد دارند. در نتیجه نسبت سرعت پردازش به توان الکتریکی مورد نیاز، مفیدتر از سرعت پردازش خام است.

## تعریف
وقتی می‌خواهیم عملکرد به ازای توان مصرفی را اندازه بگیریم، دو چیز مهم است: **عملکرد (Performance)** **و مصرف توان (Power consumption)**

معیار عملکرد بسته به اینکه چه چیزی را می‌سنجیم متفاوت است. مثلاً FLOPS که نشان دهنده تعداد عملیات ممیز شناور بر ثانیه و MIPS  نشان دهنده ۱۷ میلیون دستورالعمل بر ثانیه است 

در این بخش، تعریف عملکرد و مصرف توان بسته به نوع معیار می‌تواند متفاوت باشد. برای اندازه‌گیری عملکرد، معمولا از واحدهایی مثل FLOPS یا MIPS استفاده می‌شود و یا از امتیاز یک بنچمارک مشخص کمک می‌گیرند. برای توان مصرفی هم روش‌های مختلفی وجود دارد؛ بعضی  توان الکتریکی ورودی به دستگاه را در نظر می‌گیرند، و بعضی دیگر کل توان لازم برای کارکرد سیستم مثل تجهیزات جانبی را هم حساب می‌کنند. معمولاً مقدار توان به‌صورت میانگین توان مصرفی هنگام اجرای یک بنچمارک گزارش می‌شود، ولی در بعضی موارد از معیارهایی مثل بیشترین توان مصرفی یا توان در حالت بیکار هم استفاده می‌شود.

در سال‌های ابتدایی عصر کامپیوترها، توان مصرفی در مقایسه با کاری که انجام می‌دادند بسیار پایین بود. برای نمونه، رایانه قدیمی UNIVAC I تنها حدود ۰٫۰۱۵ کار را در هر وات‌ثانیه انجام می‌داد؛ این در حالی بود که تقریباً ۱۹۰۰ عمل در ثانیه پردازش می‌کرد اما نزدیک به ۱۲۵ کیلووات برق لازم داشت. در مقابل، پردازنده‌های جدید مثل تراشهٔ چند‌هسته‌ای Fujitsu FR-V که در حدود سال ۲۰۰۵ معرفی شد، با تنها ۳ وات توان، چیزی در حد ده ها میلیارد عمل در ثانیه انجام می‌دهد. این یعنی حدود پنجاه سال، بازده انرژی سیستم‌ها بیش از یک تریلیون بهتر شده است.

بیشتر توان الکتریکی که سیستم مصرف می‌کند تبدیل به گرما می‌شود. بنابراین سیستمی که برای یک کار مقدار وات کمتری لازم داشته باشد، برای خنک‌ماندن هم احتیاج کمتری به خنک‌کننده ها خواهد داشت. کم شدن نیاز به خنک‌سازی باعث می‌شود سیستم بی‌صداتر کار کند. مصرف انرژی پایین‌ترتأثیرات منفی زیست‌محیطی را هم کمتر می‌کند (نگاه کنید به محاسبات سبز). در محیط‌هایی که کنترل دما محدود است، رایانه‌های کم‌مصرف معمولا در دمای پایین‌تری کار می‌کنند و این موضوع باعث افزایش پایداری می‌شود. در محیط‌هایی که دما کنترل‌شده است، همچنین کم‌شدن مصرف مستقیم انرژی می‌تواند هزینه خنک‌سازی را هم کاهش دهد.

وقتی که عملکرد را به صورت operations/second تعریف کنیم، آن وقت عملکرد به‌ازای هر وات هم به شکل operations/watt-second⁠ نوشته می‌شود. از آنجایی که یک وات در واقع *یک ژول در هر ثانیه* است، می‌توان این نسبت را به صورت *تعداد عملیات به‌ازای هر ژول انرژی* هم بیان کرد. به عبارتی، این معیار نشان می‌دهد با یک واحد انرژی، یک سیستم چه مقدار کار واقعی انجام می‌دهد.

## FLOPS به ازای هر وات
یکی از رایج‌ترین معیارها برای سنجش  توان در سیستم‌های محاسباتی است. معمولا در حوزه‌ی محاسبات علمی و شبیه‌سازی‌هایی استفاده می‌شود که حجم زیادی محاسبات عددی انجام می‌دهند.

### نمونه‌ها
طبق گزارش فهرست Green500 در ژوئن ۲۰۱۶، دو کامپیوتر که از شتاب‌دهندهٔ ژاپنی PEZY-SCnp  با پردازنده‌های Intel Xeon استفاده می‌کردند، بالاترین بازده انرژی را داشته‌اند. هر دو سیستم در مرکز RIKEN قرار داشتند و بیش از ۶۶۷۳ مگافلاپس به ازای هر وات عملکرد ارائه می‌دادند. رتبه دوم نیز سامانهٔ چینی Sunway TaihuLight با حدود ۶۰۵۱ مگافلاپس بر وات قرار گرفته بود، که اندازه و توان پردازشی بسیار بزرگ‌تری دارد.

در سال ۲۰۱۲، همان فهرست گفت که سیستم BlueGene/Q  به حدود ۲۱۰۰ مگافلاپس بر وات ذسیده و در آن زمان کارآمدترین سامانه در میان فهرست TOP500 بوده است.

در سال ۲۰۱۰، نسخهٔ دیگری از Blue Gene/Q که توسط IBM ساخته شده بود حدود ۱۶۸۴ مگافلاپس بر وات کارایی ثبت کرد.

در سال ۲۰۰۸، شبکهٔ CNN گزارش داد که سوپرکامپیوتر Roadrunner ساخت IBM توانسته به ۳۷۶ مگافلاپس به ازای هر وات برسد.

در پروژهٔ تحقیقاتی Tera-Scale اینتل، یک پردازندهٔ ۸۰ هسته‌ای آزمایشی تولید شد که بازدهی آن به ۱۶ هزار مگافلاپس بر وات می‌رسید.

کلاستر کم‌هزینهٔ Microwulf که از چهار سیستم دو‌هسته‌ای Athlon 64 استفاده می‌کرد، حدود ۵۸ مگافلاپس بر وات توان عملیاتی داشت.

شرکت Adapteva  پردازندهٔ یکپارچه‌ی Epiphany V با ۱۰۲۴ هستهٔ RISC را با هدف رسیدن به ۷۵ گیگافلاپس بر وات معرفی کرد، اما بعدها اعلام شد احتمال عرضهٔ تجاری آن پایین است که نشان دهنده هزینه بسیار بالای ساخت آن می باشد.. However that may not adequately incorporate efficiency in typical use, where much time is spent doing less demanding tasks.

## بازده در GPU
پردازنده‌های گرافیکی در سال‌های اخیر مصرف انرژی‌شان بیشتر شده، به‌همین خاطر باید از روش‌های هوشمند برای کنترل مصرف انرژی آن‌ها استفاده شود. معیارهایی مثل امتیاز 3DMark2006 به ازای هر وات می‌تواند برای مقایسه‌ی بازده برخی GPUها مفید باشد، اما لزوماً نشان‌دهنده مصرف واقعی در استفاده‌های معمولی نیست.

در GPUهای جدید، میزان انرژی مصرفی یکی از محدودیت‌های اصلی برای رسیدن به قدرت پردازشی بالاتر است. معماری GPU معمولاً مقیاس‌پذیر طراحی می‌شود تا بتوان چند تراشه را روی یک کارت یا حتی چند کارت را در کنار هم به‌کار گرفت. در نهایت توان مصرفی و گرمای تولیدشده تعیین می‌کند که سیستم تا چه حد می‌تواند به عملکرد اوج برسد. از آن‌جا که GPUها برای پردازش‌های عمومی هم به‌کار می‌روند، عملکرد آن‌ها را هم مانند CPU می‌توان با معیارهایی مثل FLOPS به ازای هر وات سنجید.

## چالش ها
با این که توان پردازشی بر واحد وات معیار مهمی برای سنجیدن بهره‌وری سیستم‌هاست، اما همیشه تصویر کامل را نشان نمی‌دهد. بعضی وقت‌ها تولیدکننده‌ها با تکیه روی این شاخص، افزایش واقعی مصرف انرژی را پنهان می‌کنند. مثلا ممکن است نسل جدید یک GPU از نظر نسبت عملکرد به توان بهتر شده باشد، اما چون خودِ توان مصرفی همچنان بالا می‌رود، در عمل باز هم دستگاه انرژی زیادی می‌بلعد.

از طرف دیگه، تست‌هایی که مصرف انرژی را در شرایط پرفشار اندازه می‌گیرند، همیشه شبیه استفاده معمول کاربران نیستند. خیلی از کامپیوترها بیشتر زمانشان را در حالت بی‌کار، کارهای سبک یا نمایش ساده‌ی تصویر می‌گذرانند. به همین دلیل، راندمان سیستم در حالت‌های سبک هم به اندازه‌ی حالت‌های سنگین اهمیت دارد. بعضی بنچمارک‌ها (مثل **SPECpower**) برای حل این مشکل، میزان مصرف را در چند سطح مختلف بار بررسی می‌کنند.

مسئله‌ی دما نیز روی مصرف انرژی قطعات تأثیر می‌گذارد. بعضی بخش‌ها مثل رگولاتورهای ولتاژ، پاور یا برخی کارت‌های گرافیک وقتی گرم‌تر می‌شوند، بازدهی‌شان پایین می‌آید و همین باعث بالاتر رفتن مصرف انرژی می‌شود. بنابراین هنگام اندازه‌گیری مصرف، شرایط دمایی هم باید ثبت شود.

همچنین باید توجه کرد که این معیار تنها مصرف لحظه‌ای دستگاه را می‌سنجد و به هزینه‌های چرخه‌ی عمر آن توجهی ندارد. تولید و از رده خارج شدن سخت‌افزارهای کامپیوتری انرژی‌بر است و بخش قابل توجهی از اثرات محیط‌زیستی همین‌جا اتفاق می‌افتد. حتی انرژی لازم برای خنک‌کردن محیطی که دستگاه در آن کار می‌کند معمولاً در این محاسبات دیده نمی‌شود، در حالی که می‌تواند قابل توجه باشد.

## سایر شاخص‌های سنجش بهره‌وری انرژی
یکی از معیارهایی که شرکت Sun Microsystems برای ارزیابی کارایی مراکز داده معرفی کرده، شاخص **SWaP** است. این معیار هم‌زمان سه عامل فضا، توان مصرفی و کارایی سیستم را در نظر می‌گیرد و در ساده‌ترین حالت به‌صورت نسبت «عملکرد» به «قدرت مصرف‌شده × فضای اشغال‌شده» تعریف می‌شود.

در اینجا عملکرد معمولاً با یک بنچمارک استاندارد سنجیده می‌شود و «فضا» هم ابعاد فیزیکی یا حجم سخت‌افزار است.

در کنار این، در سامانه‌های رایانشی مخصوص فضا و مأموریت‌های فضایی، کاهش مصرف توان، وزن و حجم دستگاه‌ها اهمیت جدی دارد، چون منابع انرژی محدود هستند و کوچک‌سازی تجهیزات مزیت عملیاتی زیادی ایجاد می‌کند.

## جستارهای وابسته
* مقایسه معماری CPU
* سخت‌افزار رایانه
* طراحی پردازنده
* ممیز شناور
* معماری هاروارد
* محاسبات قابل تنظیم
* معماری رایانه
## منابع

## پیوند به بیرون
* 
* 
* 

رده:محاسبات
رده:بهره‌وری انرژی
رده:معماری رایانه
رده:محک‌ها (رایانش)
رده:کارایی رایانه
رده:رایانه‌ها و محیط زیست
رده:توان الکتریکی
رده:نگهداری انرژی