Rendimiento por vatio

En informática , el rendimiento por vatio es una medida de la eficiencia energética de una arquitectura o hardware informático específico . Literalmente, mide la tasa de cálculo que un ordenador puede realizar por cada vatio de potencia consumido. Esta tasa se suele medir mediante el rendimiento en la prueba comparativa LINPACK al comparar sistemas informáticos; un ejemplo de ello es la lista Green500 de superordenadores. Se ha sugerido que el rendimiento por vatio es una medida de la informática sostenible. ^{[ 1 ]}

Los diseñadores de sistemas que construyen computadoras paralelas a menudo eligen las CPU en función de su rendimiento por vatio, porque el costo de alimentar la CPU supera el costo de la propia CPU. ^{[ 2 ]}

Las computadoras para vuelos espaciales tienen límites estrictos en la potencia máxima disponible y también exigen un rendimiento mínimo en tiempo real. La relación entre la velocidad de procesamiento y la potencia eléctrica requerida es más útil que la velocidad de procesamiento bruta. ^{[ 3 ]}

Las métricas de rendimiento y consumo de energía utilizadas dependen de la definición; medidas razonables de rendimiento son FLOPS , MIPS o la puntuación de cualquier prueba de rendimiento . Se pueden emplear varias medidas de consumo de energía, según el propósito de la métrica; por ejemplo, una métrica podría considerar solo la energía eléctrica suministrada directamente a una máquina, mientras que otra podría incluir toda la energía necesaria para el funcionamiento de un ordenador, como los sistemas de refrigeración y monitorización. La medición de energía suele ser la energía promedio utilizada durante la ejecución de la prueba de rendimiento, pero se pueden emplear otras medidas de consumo de energía (por ejemplo, potencia máxima, potencia en reposo).

Por ejemplo, el primer ordenador UNIVAC I realizaba aproximadamente 0,015 operaciones por vatio-segundo (1905 operaciones por segundo (OPS), con un consumo de 125  kW). El sistema de procesador vectorial Fujitsu FR -V VLIW en un chip , en la variante de 4 núcleos FR550 lanzada en 2005, realiza 51 Giga-OPS con un consumo de energía de 3 vatios, lo que resulta en 17 mil millones de operaciones por vatio-segundo. ^{[ 4 ] [ 5 ]} Esto representa una mejora de más de un billón de veces en 54 años.

La mayor parte de la energía que consume un ordenador se convierte en calor, por lo que un sistema que requiere menos vatios para realizar una tarea necesitará menos refrigeración para mantener una temperatura de funcionamiento determinada . La reducción de las necesidades de refrigeración facilita la reducción del ruido en el ordenador . Un menor consumo energético también puede abaratar su funcionamiento y disminuir el impacto ambiental de su alimentación (véase computación verde ). Si se instala en un entorno con control climático limitado , un ordenador de menor consumo funcionará a una temperatura más baja, lo que puede aumentar su fiabilidad. En un entorno con climatización controlada, la reducción del consumo directo de energía también puede generar ahorros en la energía de climatización.

El consumo de energía informática también se mide a veces informando la energía necesaria para ejecutar una prueba de rendimiento específica, por ejemplo, EEMBC EnergyBench. Las cifras de consumo de energía para una carga de trabajo estándar pueden facilitar la evaluación del efecto de una mejora en la eficiencia energética .

Cuando el rendimiento se define como operaciones / segundo , entonces el rendimiento por vatio se puede escribir como operaciones / vatio-segundo . Dado que un vatio es un julio/segundo , entonces el rendimiento por vatio también se puede escribir como operaciones / julio .

FLOPS por vatio es una medida común. Al igual que la métrica FLOPS ( operaciones de punto flotante por segundo) en la que se basa, esta métrica se suele aplicar a la computación científica y a las simulaciones que implican muchos cálculos de punto flotante .

Las unidades de procesamiento gráfico (GPU) han seguido aumentando su consumo energético, mientras que los diseñadores de CPU se han centrado recientemente en mejorar el rendimiento por vatio. Las GPU de alto rendimiento pueden consumir mucha energía, por lo que se requieren técnicas inteligentes para gestionar su consumo. Medidas como la puntuación por vatio de 3DMark2006 pueden ayudar a identificar las GPU más eficientes. ^{[ 19 ]} Sin embargo, esto puede no reflejar adecuadamente la eficiencia en el uso típico, donde se dedica mucho tiempo a tareas menos exigentes. ^{[ 20 ]}

En las GPU modernas, el consumo de energía limita considerablemente la capacidad de cálculo máxima que pueden alcanzar. Los diseños de GPU suelen ser altamente escalables, lo que permite al fabricante integrar varios chips en la misma tarjeta gráfica o utilizar varias tarjetas gráficas que trabajen en paralelo. El rendimiento máximo de cualquier sistema está esencialmente limitado por la cantidad de energía que puede consumir y la cantidad de calor que puede disipar. Por consiguiente, el rendimiento por vatio de una GPU se traduce directamente en el rendimiento máximo del sistema que utiliza dicho diseño.

Dado que las GPU también pueden utilizarse para algunos cálculos de propósito general , a veces su rendimiento se mide en términos que también se aplican a las CPU, como FLOPS por vatio.

Si bien el rendimiento por vatio es útil, los requisitos de potencia absolutos también son importantes. Las afirmaciones sobre un mejor rendimiento por vatio pueden utilizarse para enmascarar el aumento de la demanda de energía. Por ejemplo, aunque las arquitecturas de GPU de nueva generación pueden ofrecer un mejor rendimiento por vatio, los continuos aumentos de rendimiento pueden anular las mejoras en la eficiencia, y las GPU siguen consumiendo grandes cantidades de energía. ^{[ 22 ]}

Los benchmarks que miden el consumo de energía bajo cargas pesadas pueden no reflejar adecuadamente la eficiencia típica. Por ejemplo, 3DMark pone a prueba el rendimiento 3D de una GPU, pero muchos ordenadores pasan la mayor parte del tiempo realizando tareas de visualización menos exigentes (inactividad, tareas 2D, reproducción de vídeo). Por lo tanto, la eficiencia en 2D o en reposo del sistema gráfico puede ser al menos igual de importante para la eficiencia energética general. Del mismo modo, los sistemas que pasan gran parte del tiempo en modo de espera o apagado suave no se caracterizan adecuadamente solo por su eficiencia bajo carga. Para ayudar a solucionar esto, algunos benchmarks, como SPECpower , incluyen mediciones en una serie de niveles de carga. ^{[ 23 ]}

La eficiencia de algunos componentes eléctricos, como los reguladores de voltaje , disminuye con el aumento de la temperatura, por lo que el consumo de energía puede incrementarse con la temperatura. Las fuentes de alimentación, las placas base y algunas tarjetas de video son algunos de los subsistemas afectados por este fenómeno. Su consumo de energía puede depender de la temperatura, y esta dependencia con la temperatura debe tenerse en cuenta al realizar las mediciones. ^{[ 24 ] [ 25 ]}

El rendimiento por vatio tampoco suele incluir los costes totales del ciclo de vida . Dado que la fabricación de ordenadores consume mucha energía y estos suelen tener una vida útil relativamente corta, la energía y los materiales utilizados en su producción, distribución, eliminación y reciclaje suelen representar una parte significativa de su coste, consumo energético e impacto ambiental. ^{[ 26 ] [ 27 ]}

La energía necesaria para el control climático del entorno del ordenador a menudo no se tiene en cuenta en el cálculo de vatios, pero puede ser significativa. ^{[ 28 ]}

SWaP (espacio, potencia y rendimiento) es una métrica de Sun Microsystems para centros de datos , que incorpora potencia y espacio:

${\displaystyle \mathrm {SWaP} ={\frac {\mathrm {Rendimiento} }{\mathrm {Espacio} \cdot \mathrm {Poder} }},}$

donde el rendimiento se mide mediante cualquier punto de referencia apropiado, y el espacio es el tamaño del ordenador. ^{[ 29 ]}

La reducción de potencia, masa y volumen también es importante para las computadoras de vuelos espaciales. ^{[ 3 ]}

parámetros de referencia de eficiencia energética

• Potencia media de la CPU (ACP) : una medida del consumo de energía al ejecutar varias pruebas de rendimiento estándar. 
• EEMBC – Banco de Energía 
• SPECpower : una herramienta de evaluación comparativa para servidores web que ejecutan Java (operaciones Java del lado del servidor por julio). 

Otro

• eficiencia de la infraestructura del centro de datos (DCIE)
• computación proporcional a la energía
• Gestión energética de TI
• Ley de Koomey
• Principio de Landauer
• Electrónica de bajo consumo
• Eficiencia del uso de energía (PUE)
• Disipación de potencia del procesador

• Wu-Chun Feng (octubre de 2003). "Argumentos a favor de la supercomputación eficiente" . ACM Queue . 1 (7).
• Kirk W. Cameron (noviembre de 2013). "Eficiencia energética de HPC y Green500" . HPC Wire . 27 (11).
• Wu-Chun Feng y Kirk W. Cameron (diciembre de 2007). "La lista Green500: Fomentando la supercomputación sostenible" . IEEE Computer . 40 (12).

• Los Green500