Rõ ràng là nhiệt sẽ là giới hạn cho tương lai của chất bán dẫn. Hiện tại, tỷ lệ phần trăm lớn chip sẽ tối bất cứ lúc nào, bởi vì nếu mọi thứ hoạt động cùng lúc thì lượng nhiệt sinh ra sẽ vượt quá khả năng tiêu tán năng lượng đó của chip và gói. Nếu bây giờ chúng ta bắt đầu xem xét các khuôn xếp chồng, nơi mà khả năng tách nhiệt không đổi và số lượng máy phát nhiệt tăng lên, thì đó có vẻ là một tương lai khá ảm đạm.

Có lẽ ai đó sẽ phát minh ra một bóng bán dẫn tốt hơn, hoặc các dây dẫn có ít điện trở và điện dung hơn. Nhưng tại thời điểm này, những tiến bộ rõ ràng hơn đã được khám phá, và chi phí luôn hạn chế một số giải pháp.

Trong 40 hoặc 50 năm qua, tối ưu hóa là về hiệu suất và diện tích. Sức mạnh chỉ bắt đầu được xem xét khoảng 20 năm trước, khi người ta nhận ra rằng mỗi phần trăm hiệu suất tăng lên thì sức mạnh thậm chí còn lớn hơn - với cùng một kiến ​​trúc cơ bản. Nó cũng không giúp ích gì khi quy mô Dennard ngừng tự động cung cấp cùng một mức tiết kiệm điện năng trên mọi nút mới.

Thậm chí ngày nay, khi tôi phỏng vấn mọi người và hỏi liệu sức mạnh có phải là yếu tố cân nhắc tối ưu hóa chính hay không, câu trả lời thường là, "Trước tiên, chúng tôi phải đáp ứng các chỉ số hiệu suất và sau đó chúng tôi có thể lo lắng về việc giảm sức mạnh". Trong 10 năm tới, tôi kỳ vọng tâm lý đó sẽ chuyển sang cách tiếp cận “quyền lực trên hết”. Câu hỏi thực sự là, trong một ngân sách năng lượng xác định, tôi có thể đạt được bao nhiêu hiệu suất trong một nhiệm vụ nhất định? Bạn không thể đạt được câu trả lời đó bằng cách xem xét hiệu suất trước tiên.

Trong vài thập kỷ qua, các công cụ đã được tạo ra để tiết kiệm điện năng lãng phí bằng cách thực hiện phân tích thiết kế và xác định mức tiết kiệm tiềm năng. Hầu hết thời gian, những khoản tiết kiệm đó có thể được áp dụng tự động và không sợ làm rối tung bất cứ điều gì. Ví dụ như định cỡ bóng bán dẫn cho các đường dẫn có độ chùng, hoặc kiểm tra đồng hồ, khi nó có thể được chứng minh rằng nó sẽ không có tác động logic. Các chiến lược khác có tác động cao hơn một chút, chẳng hạn như chuyển đổi miền nguồn, nơi dòng rò có thể được loại bỏ trong các khối khi không được sử dụng. Tuy nhiên, những điều này làm tăng thêm sự phức tạp của thiết kế và chúng gây ra một số vấn đề thảm khốc có thể xảy ra khiến một số thiết kế phải bó tay.

Nhưng tất cả các kỹ thuật này chỉ đơn thuần là cố gắng phục hồi năng lượng bị lãng phí. Không ai trong số họ đang giải quyết vấn đề trực tiếp. Điều bắt buộc là các chiến lược tối ưu hóa công suất ảnh hưởng đến kiến ​​trúc của hệ thống - bao gồm các thuật toán được sử dụng và có khả năng triển khai trong phần mềm chạy trên các nền tảng xử lý được tối ưu hóa cho chúng, xem xét tính hữu ích của từng byte dữ liệu được di chuyển xung quanh hệ thống , và nhiều hơn nữa.

Nhưng ngành công nghiệp có quá nhiều động lực và sức ì nên việc thay đổi là vô cùng khó khăn. Chúng ta đang thấy các giao thức ngày càng phức tạp và nặng nề hơn được xác định cho sự nhất quán và kết nối, tất cả chúng đều cố gắng làm gián đoạn càng ít càng tốt các hoạt động xấu đang diễn ra ngày nay.

Có những dấu hiệu đáng mừng. Máy tính theo miền cụ thể là một lĩnh vực đã được khơi dậy bởi bài giảng Turing năm 2017 do John Hennessy và David Patterson đưa ra, và bởi sự áp dụng nhanh chóng của ngành đối với RISC-V ISA và tất cả các công việc xung quanh vấn đề đó. Họ có thể không làm điều đó với động lực chính là giảm điện, nhưng ít nhất đó cũng là một sự khởi đầu.

Một lĩnh vực đáng khích lệ khác đã xuất hiện trong một số cuộc phỏng vấn gần đây mà tôi đã thực hiện cho các bài viết sắp tới về chủ đề tối ưu hóa điện năng, từ RTL trở lên. Khi được hỏi về những khả năng xảy ra trong tương lai, trong đó tối ưu hóa công suất là yếu tố được xem xét hàng đầu, anh ấy có niềm đam mê, hứng thú và hy vọng về một cách làm tốt hơn trong tương lai.

Hai mươi năm trước, khi thuật ngữ Mức hệ thống điện tử (ESL) được dùng chung cho công nghệ xác định thời đại mới của EDA, đã có rất nhiều sự phấn khích và có lẽ là khoản đầu tư lớn nhất mà chúng tôi từng thấy vào các công cụ EDA mới kể từ khi ngành công nghiệp này thành lập. Đây là một nỗ lực để tìm ra sự trừu tượng mới, những công cụ mới sẽ làm cho họ những gì RTL đã làm cho Synopsys.

Tôi cũng bị cuốn vào điều đó, nhưng tất cả chúng tôi đã sai. Không có sự trừu tượng ma thuật mới nào có thể thúc đẩy một thế hệ nhà thiết kế và công cụ mới. Một số thứ tốt đã xuất hiện từ nó, nhưng không có gì giống như những gì mong đợi ban đầu. Nhưng bây giờ chúng ta có thể nhìn thấy nguồn gốc của kỷ nguyên mới không? Những nội dung trừu tượng, dòng chảy và công cụ mới mà trọng tâm chính là sức mạnh và năng lượng? Một thế hệ thiết kế mới sẽ có thể tối đa hóa hiệu suất trên mỗi watt, không phải thông qua tối ưu hóa, mà là thông qua thiết kế?

Có đủ những người quan tâm đến hành tinh này để ưu tiên đó không? Với tư cách là kỹ sư, theo một cách nào đó, chúng ta có chịu trách nhiệm về việc tiêu thụ năng lượng của các sản phẩm chúng ta tạo ra không? Tôi thấy nhiều người quan tâm đến những điều này hơn, nhưng tôi cũng thấy nhiều tiến bộ công nghệ làm lãng phí hoàn toàn sức mạnh, nơi động lực duy nhất là lợi nhuận.

Ghi chú của người biên tập: Nếu bạn biết về bất kỳ sự phát triển thú vị nào đang diễn ra trong lĩnh vực công cụ hoặc phương pháp luận cho thiết kế định hướng sức mạnh, tôi rất muốn nghe về chúng.