宏觀層面

在開始討論效率指標之前，讓我們先從宏觀的角度觀察並驗證一個範例系統的測量標準。資料中心內的設備會依據事先制訂的規範將位元資料從網路上的一個節點傳送到另一個節點，這些事先制訂的規範可能是目的地的位址、優先次序、安全因素或是其他條件等等。一般而言，這些系統的效能都經過調校，以防止出現資料封包遺失或是出現傳輸瓶頸的問題。然而，隨著全球通訊基礎建設不斷成長，尤其為了要滿足網路視訊的傳輸需求，這些資料中心（Data Center）對電力的需求正急遽上升。

基於這個原因，設備製造商紛紛檢視目前產品的功耗，並希望能找出降低整體功耗的方法。可是，問題的癥結在於應該如何去公正地測量系統功率。如果只是簡單地使用一個瓦特表去測量功率，那麼得到的結果只是設備在該瞬間的功率，這樣的量測數據無法正確呈現系統整體操作的情況。在上述的範例中，系統可能每秒傳送百萬個封包，也可能與網路連線中斷。如果單純採用功率指標來說明系統的效能，這就如同描述「汽車的引擎每小時消耗5加侖的汽油」，但並沒有真正描述引擎的效能。因此，在宏觀的指標中，電力功率只是眾多量測項目中的其中一項。

在比較系統的優劣時，比較好的做法是先測試系統的功能。在範例中，該設備的主要功能是將資料封包從一個節點傳送到另一個節點。因此，測量該設備的效能應以它的傳輸能力作基準，也就是設備每秒可以傳送的封包數量，這些封包必須可靠並且無誤地傳送。一般來說，這個數值都是從實際測試或設計資料提供的最高值。系統的最高傳輸量為效能設下了一個極限，而這個效能極限也就是資料中心採購經理的選購指標。這個範例讓我們了解如何去量測能源轉化成功能的效率，在這個例子中，也就是傳送每個封包所消耗的能量。

《公式一　簡單的能量測量方程式 》

公式一表示範例系統在最高負載情況下的耗電量與封包傳送數量的簡單比率。系統效能以每單位時間的封包數量計算，而功率的量測單位則以每單位時間（秒）所消耗的能量（焦耳）計算，並以瓦特表示。因此，經過簡化之後的量測指標便是每傳送一個封包所需的焦耳（J/Ptransferred）。如果範例系統在最高負載時每秒可傳送一億個封包，同時消耗300瓦特的電力，那麼最終的功率/效能比將會是每個封包耗用3×10-6焦耳或是每個封包耗用3微焦耳（3.0μJ/P）。現在，假設有另一個競爭對手的系統，它每秒可傳送一億五千萬個封包，但所耗用的電量是450瓦特，那麼這個系統的效能/功率比同樣也是每封包3微焦耳。

此外，類似的量測計算方法也可應用到正常及較低負載的情況，讓我們能夠在系統的整個操作範圍內進行比較。舉例而言，兩個高效能系統可以擁有相同的峰值傳輸效能，而且功耗同樣都是400瓦特。在最高傳輸量的情況下，兩者的效能/功率都是一樣的，可是其中一個可能具備頻寬調節功能（bandwidth throttling），可以在系統負載較輕時停用未使用的系統部份。這就是所謂的 「可適性功率減省（APR）」，能夠有效地節省正常操作的功耗。如果系統缺少可適性功率減省，那麼，即使在負載較輕時也會耗用較多的能量。在範例中，具備APR功能的系統，其功耗在每秒5000萬封包的負載下可以降低到200瓦特，達到每個封包4微焦耳（4μJ/P）的等級。相反地，如果系統沒有APR，在相同的傳輸量下，效能等級便只有每個封包8微焦耳（8μJ/P）。

設計人員的觀點

因此，如果你是IT管理人員，當你拿這些指標去比較系統時，就可以決定哪一個系統的效率最高，符合公司應用。那麼，接下來的問題是這些指標對系統設計人員有何意義？如果工程人員的任務是必須兼顧系統效能提升以及系統功耗降低，那麼，他們就需要先瞭解產品設計中選用元件的效能/功率量測特性。舉例而言，在上述的封包交換比較個案中，工程人員的任務可能是要找出最佳的傳輸效率的網路傳輸方案，但這裡的指標是每位元皮焦耳或是每位元公尺皮焦耳 （即指介面裝置把資料封包驅動到每單位距離所需的能量），兩者是不相關的。

此外，設計人員也應該開始考慮為系統架構增加可適性功能以降低功耗。目前已經有一些公司採用這種方案，相信其他的公司將會追隨。毫無疑問，在實際的應用中，系統鮮少真正達到最高負載的情況，就如同汽車不會全程都以時速250公里的全速行駛一般。在大多數的情況下，系統會按需求不斷在低負載與高負載之間循環。假如設備能夠透過負載轉移、釋出未使用的效能、調節時脈速度或其他的方法去降低所消耗的功率，系統就可以節省更多功率。

標準制訂

在很多工程領域中，標準的作用是為不同應用提供一個效能上的基準。無論是在工程或是通訊領域中，我們都可以發現許多提供相互操作性和比較的應用範例。假如每一個汽車製造商都只按照自己的標準去宣稱每公升汽油可行進的公里數或是每加侖汽油可行進的英哩數值，那麼這些數字難免會因為不同的計算方法而產生誤導。 因此，必須採用由美國運輸部制訂的標準測試方法去進行每加侖可行進的英哩數計算，進而為不同車廠間作出公平的比較。新罕布夏大學（UNH）與類似的測試中心可以依據國際標準為產品提供相互操作性及功能性進行驗證，比如是IEEE802乙太網路等。未來，我們可以預期將有更多的測試項目加入到驗證的過程中，以提供更精確的效能/功率指標，就如本文的論述一般。

結語

毫無疑問，單憑兩個系統的表面數值進行比較是不切實際的。在本文透過測試兩個假定的網路傳輸系統，去証明功耗只是系統整體效能事實的一個部份。在比較的過程中，必須衡量在指定功率下的效能表現，原因是它定義了系統所能達到真正實力。此外，當嘗試為性能相仿的解決方案進行比較時，必須以每單位一個任務的能源耗用量作為比較。很多時候，某一個設備的功率數字會比另一個設備來得突出，但設計人員經常忽略了更佳功率值所需要付出的成本代價，而這些代價在產品設計初期可能並不明顯。將效能/功率指標標準化可有效地解決這些問題，而隨著工程人員爭相地降低產品的功耗，將量測指標標準化的重要性也顯得愈來愈重要。

---作者任職於NS美國國家半導體---