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Performance por Watt Explicado: Energia e CPUs - Parte I

20/10/2006 às 16:40

De acordo com o astrônomo russo Nikolai Kardashev, o avanço de qualquer civilização pode ser medido através da sua necessidade energética no que ficou conhecido como a Escala de Kardashev. Olhando a própria evolução das nações através da história, as civilizações mais avançadas são, de fato, as que necessitam de mais energia. De acordo com essa classificação e cálculos do físico Carl Sagan e da International Energy Agency, nós ainda não atingimos o nível I, e estamos no nível 0,71. Chegaremos a 0,72 em 2030 se novas fontes e demanda continuarem nos níveis atuais. Segundo o físico Michio Kaku, nossa civilização atingirá o nível I em 2200.

Mas isso não muda o fato de que precisamos de mais e mais energia com o passar do tempo. A discussão não gira mais em torno apenas da descoberta de novas fontes. O uso eficaz do parque energético disponível é assunto central em qualquer ambiente corporativo sério. É preciso realizar o mesmo trabalho consumindo menos e com perdas mínimas.

Produzir energia elétrica é historicamente caro, ainda há grande desperdício na produção e ainda maior na transmissão, elevando os custos. As empresas de tecnologia são as mais sensíveis a essas flutuações e dependemos mais do que nunca para controlar sistemas de informação financeiros, de transportes, do comércio e produção industrial para citar alguns.


Energia - Estudos do Google

Se não é possível reduzir os custos de produção e transmissão dos elétrons, a indústria reagiu com o conceito de performance por watt. Apesar do conceito não ser exclusividade da Intel, ele se tornou popular para o mercado consumidor quando a empresa mudou o foco de medida de poder de processamento. E todos saem ganhando dessa iniciativa, inclusive nós, usuários e consumidores finais, com equipamentos que aquecem menos e fazem o mesmo trabalho com uma conta de luz menor.

Anos atrás, consumo reduzido de energia era acompanhado de perda de performance mas pesquisas já estavam em estágio avançado há muito tempo e a resposta veio com processadores mais eficientes da Sun, IBM, Intel, AMD, ARM e vários outros fabricantes. Alguns dos princípios são simples como, por exemplo, ao digitar esse texto, não estou utilizando 1/100 do poder de processamento disponível do processador. Se o 486 fazia esse trabalho, porque o processador, sistema operacional e aplicativos não conversam entre si e desligam partes do hardware e reduzem o consumo até que os recursos sejam necessários novamente?

É esse o princípio do performance por watt: usar somente o necessário. Essa série de inovações foram primeiramente inventadas para dispositivos portáteis e notebooks e chegaram rapidamente aos servidores e desktops. E isso não poderia ter sido em melhor hora, pois empresas de tecnologia estão calculando seu custo com energia elétrica aumentar mais do que qualquer outro.

No final de 2005, o engenheiro do Google Luiz André Barroso (sim, ele é brasileiro) publicou um artigo na Association for Computer Machinery Queue sobre estudos conduzidos no Google, mostrando as conseqüências do caminho sendo trilhado em consumo energético.

A figura 1 do artigo (recomendo fortemente a leitura completa do mesmo), mostra um dos centros do problema: o ganho de performance é acompanhado do aumento de consumo energético, ao longo de 3 gerações de hardware usadas pelo Google.

Se os fabricantes não reagissem, o custo para manter os servidores da empresa rodando seriam MUITO maiores que o custo inicial de aquisição. No artigo, ele explica que a estratégia da empresa é empregar PCs e servidores low-end como principal plataforma de hardware. O software é normalmente desenvolvido pela própria empresa e trabalhando com a comunidade Open Source, reduzindo enormemente os custos.

A empresa fez uma análise para encontrar onde estavam os seus maiores maiores custos e aí veio o susto: todo ganho de performance investido deixaria de valer a pena. Com a performance por watt estática o custo para manter os equipamentos irá superar o seu próprio valor. Algo precisava ser feito.

O gráfico acima mostra bem a situação enfrentada por qualquer empresa com forte uso de TI (bancos, por exemplo): considerando o consumo atual (dados de 2005), em apenas 5 anos, um computador com aumento de consumo em 20% gastaria o equivalente ao seu preço (no exemplo, uma máquina de 3 mil dólares) em energia elétrica. Se o consumo for 50% maior, ela gastaria 3 vezes o próprio valor, beirando a casa dos 10 mil dólares.

CPUs - O Exemplo da Intel

A Intel, ano passado, lançava linhas de processadores para servidores Paxville Xeon, que chegavam a consumir 173 watts, um monstro. Modelos com menor consumo de energia eram acompanhados de queda de performance, confirmando o absurdo na qual a indústria estava sentada. A concorrência de soluções como o lançamento do Sun Niagara, consumindo meros 72 watts de energia foi o começo da resposta que as empresas esperavam, mas nos desktops, as novidades ainda não haviam chegado. A AMD ganhou muitos clientes da Intel na área de servidores com o Opteron e um dos motivos foi a conta de luz: gasta-se menos para mantê-los funcionando em temperatura ótima com performance igual ou superior ao concorrente.

Soluções como o Pentium D, sua linha para desktops, transformaram os produtos da Intel entre as mais ineficientes da indústria, fazendo com que a AMD ganhasse ainda mais mercado, com a ótima linha X2. Os processadores da AMD consumiam bem menos e portanto, gastavam ainda menos para serem resfriados e além de serem mais baratos, tinham performance superior. O Netburst havia chegado ao fim de sua vida útil sem muita fanfarra.

Esse slide apresentado na IDF 2006 mostra exatamente o problema de arquitetura e a solução dos novos processadores. Os Pentium 4 estavam consumindo muito e processando de forma ineficiente. Repare que o consumo do Core 2 Duo é semelhante aos antigos Pentium, mas são muito mais eficientes na quantidade de instruções (trabalho) processadas.

Quando falamos do "performance per watt" pela primeira vez, muitos leitores questionaram, e com razão: do que raios eles estão falando, eu quero é performance e preço baixo. Eu mesmo fui um dos que não havia entendido a intenção da empresa, e não estava sozinho. E o problema é que durante anos, a fórmula simplista de quanto mais Hertz, melhor, estava completamente errada, mas sempre foi uma eficaz ferramenta de vendas. É claro que quem entende de hardware sabe que a arquitetura dos processadores, a forma como ele gerencia o pipeline, cache, registradores, memória, detecção de colisões é muito mais importante do que aumentar a performance por força bruta de freqüência.

Processadores ineficientes são caros de produzir para a quem fabrica e caros de se manter para quem os usa. Os consumidores com Pentium D que o digam: ele esquenta! E gasta-se mais com uma solução de resfriamento, coolers adicionais, furos extras no gabinete, dissipadores de cobre e pasta térmica de prata.

Fica bastante claro ao ler os gráficos que a série de melhorias lançadas na geração de processadores Core 2 Duo deram certo. Estou usando o exemplo da Intel, mas todos os fabricantes estão na mesma sintonia.

Entretanto, os processadores centrais ou CPUs são apenas parte do problema. Esse ano, na Intel Developers Forum, outros achados e novas propostas da indústria foram feitos. Algumas mudanças poderão mudar a forma como os computadores consomem energia e novas arquiteturas de hardware serão necessárias. É um caminho sem volta. Discutiremos isso na segunda parte desse artigo.

Fontes: Xbit-Labs, Anandtech, Wikipedia, Intel

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