Проведенный в 2021 году анализ показал, что 10% мирового производства электроэнергии используется компьютерами, включая персональные, центры обработки данных, Интернет и центры связи. Согласно тому же анализу, к 2025 году этот показатель, вероятно, возрастет до 20%. Возможно, это была заниженная оценка, поскольку она не учитывала недавний всплеск развития искусственного интеллекта и больших языковых моделей. Просто обучение большой языковой модели может обойтись в 4-5 миллионов долларов и затратить много энергии.
Я не пытаюсь опровергнуть эту статистику. Цивилизация получает много полезной информации от всех этих вычислительных мощностей, и это, вероятно, вытесняет гораздо менее эффективные способы ведения дел. Одна встреча в формате Zoom по сравнению с личной встречей может значительно сэкономить энергию. На самом деле, пока мы разумно используем все эти вычислительные мощности, все хорошо. Мы можем говорить о полезности конкретных приложений, таких как майнинг биткоинов, но в целом значительный прогресс в области вычислительной техники – это хорошо. Но это меняет наше энергопотребление, и это действительно означает электрификацию некоторых технологий. Поэтому мы должны учитывать это при экстраполяции нашего будущего использования электроэнергии (точно так же, как нам нужно учитывать эффект от перехода нашего автомобильного парка с использования бензина на использование электричества).
Эта ситуация также открывает новые возможности. Поскольку все больше и больше потребителей энергии переключаются на компьютеры, а наш мир становится все более цифровым, это означает, что мы можем значительно повысить общую энергоэффективность, просто ориентируясь на одну технологию. Например, если бы компьютеры потребляли 20% мировой электроэнергии, то повышение эффективности работы компьютеров на 50% привело бы к снижению нашего спроса на энергию на 10% (после полного внедрения). Очевидно, что такие улучшения будут внедряться в течение многих лет, но это показывает, насколько высоки становятся ставки на энергоэффективность компьютеров. Это означает, что отрасль должна сосредоточиться не только на том, чтобы делать что-то больше, качественнее, быстрее, но и более эффективно. Нам также нужно дважды подумать, прежде чем прибегать к расточительным методам.
Вот почему недавняя новость привлекла мое внимание, потому что по мере совершенствования компьютерных технологий (как аппаратных, так и программных) это может существенно повлиять на наши потребности в энергии. Вот техническое резюме:
Амбиполярные двухзатворные транзисторы на основе низкоразмерных материалов, таких как графен, углеродные нанотрубки, черный фосфор и некоторые дихалькогениды переходных металлов (TMD), позволяют создавать реконфигурируемые логические схемы с подавленным током в выключенном состоянии. Эти схемы обеспечивают тот же логический выход, что и комплементарные металл–оксидные полупроводниковые (КМОП), с меньшим количеством транзисторов и большей гибкостью конструкции.
Логические элементы, основной компонент транзисторов, обычно могут проводить либо электроны, либо дырки, но не то и другое вместе. Электронная дыра – это просто место, где мог бы находиться электрон, но его нет. Исследователи создали “амбиполярные транзисторы”, которые могут проводить и то, и другое. В результате количество транзисторов, необходимых для создания конкретной схемы, сократилось вдвое. Это сделало бы схему в целом более компактной, что означает, что она может быть меньше и/или мощнее (в некоторых комбинациях). Это повышает общую эффективность схемы.
Это еще одна лабораторная демонстрация, подтверждающая концепцию. Эту технологию пришлось бы масштабировать, чтобы внедрить на настольных компьютерах или в центрах обработки данных. Но мы наблюдаем множество подобных достижений, и их достаточно, чтобы поддерживать развитие технологии.
Одним из аспектов этого исследования, который нельзя упускать из виду, является использование “материалов с низкими размерами”, таких как графен. Компьютеры и другая электроника на основе графена, безусловно, являются многообещающей технологией будущего, но, к сожалению, все еще остаются технологией “будущего”. Мы все еще находимся на этапе “5-10 лет”, когда приложения появятся на рынке, что может означать, что на самом деле это займет гораздо больше времени. Графен, двумерная форма углерода, обладает невероятными свойствами для электроники. Он очень хорошо проводит тепло, практически не выделяя его, и может быть дополнен другими элементами для получения полупроводников. Он обещает увеличить скорость вычислений в 1000 раз при значительном снижении энергопотребления и теплоотдачи.
Например, большая часть энергии, используемой центрами обработки данных, идет либо на сами вычислительные процессы (около 50% потребляемой энергии), либо на охлаждение (30-40% потребляемой энергии). Предпринимаются попытки построить центры обработки данных рядом с другими зданиями, которые нуждаются в обогреве, чтобы можно было эффективно использовать выделяемое тепло. Но в идеале новые компьютерные технологии просто уменьшили бы количество выделяемого тепла. Это одно из обещаний графеновых вычислений. Кстати, создание компьютерных чипов с гораздо меньшим выделением тепла – это, по сути, будущее технологии взаимодействия мозга и машины. Биологические ткани плохо справляются с выделением тепла, выделяемого компьютерными чипами.
Даже если эти разработки и другие подобные им воплотятся в жизнь, я сомневаюсь, что это уменьшит количество энергии, потребляемой нашей вычислительной инфраструктурой. Потребление энергии компьютерами по–прежнему будет увеличиваться, но, надеюсь, такого рода достижения ограничат это увеличение или, возможно, позволят ему выровняться, так что, по сути, мы сможем делать больше с тем же количеством или процентом энергии. Но это также означает, что с точки зрения исследований важно уделять приоритетное внимание эффективности. Это справедливо для любой отрасли, которая становится настолько крупной, что испытывает нехватку ресурсов. Эффективность становится все более важным компонентом будущего развития, потому что в противном случае невозможно продолжать неограниченный рост отрасли. Вычислительная техника не просто развивается, в какой–то степени мы концентрируем наши ресурсы в этой одной отрасли, перенося расходы на электроэнергию из других областей в цифровой мир. Это будет способствовать дальнейшему повышению эффективности вычислений в будущем.
