به گزارش گروه وبگردی باشگاه خبرنگاران جوان، دنیای مدرن و حتی به نوعی پسامدرن، به‌تدریج ما را درگیر چالش‌هایی می‌کند که شاید چند سال پیش کمتر تصوری از آن‌ها داشتیم. هر روز که سپری می‌شود شاهد ظهور یک فناوری نوین مبتنی بر تراشه‌های محاسباتی هستیم؛ همان پردازشگر‌هایی که در گوشی موبایل، لپ‌تاپ، تبلت و... بسیاری از ابزار‌های نوین وجود دارند و امکانِ پردازش اطلاعات را با سرعت هرچه بیشتر فراهم می‌کنند.

این عطش سیری‌ناپذیر ما برای هرچه «سریع‌تر شدن» این ابزار و در عین حال «کوچک‌تر شدن» آنها، ظاهرا پایانی ندارد. از دیدن و استفاده از این ابزار‌های نوین، چه در دنیای سرگرمی و چه به وقت کار و فعالیت، لذت می‌بریم و پایانی بر این پیشرفت متصور نیستیم. شاید عجیب باشد بدانیم اکنون در حال ورود به مرحله‌ای هستیم که استفاده از این پردازشگر‌ها به‌تدریج با تغییرات آب و هوایی سیاره زمین گره می‌خورد! اما چگونه چنین چیزی ممکن است؟

اکنون حدود ۶ درصد از کل انرژی الکتریکی دنیا صرف انجام محاسبات در پردازشگر‌ها می‌شود. طبیعی است برای تولید انرژی الکتریکی هنوز هم سوخت‌های فسیلی نقش اساسی ایفا می‌کنند. به این ترتیب، بخشی از گاز‌های گلخانه‌ای - و از جمله دی‌اکسیدکربن - ناشی از انرژی الکتریکی تولیدشده برای مصرف در پردازشگر‌های مختلف است. برای مثال، یک جست‌وجوی ساده در گوگل یا ارسال یک ایمیل به ترتیب ۰۸۵/۰ گرم و یک گرم گاز دی‌اکسیدکربن تولید می‌کند!

استفاده از یک گوشی هوشمند در طول یک شبانه‌روز، معادل تولید ۴۷ گرم گاز دی‌اکسیدکربن است. اما نکته دوم قابل تأمل حجم داده‌هایی است که مبادله می‌شوند. مثلا در سال ۱۹۸۴ میلادی حجم ترافیک کل دنیا در هر ماه فقط ۱۵ گیگابایت بود.

اما در سال ۲۰۱۹ میلادی حجم ترافیک مورد استفاده هفتگی هر یک از ما تقریبا معادل همین مقدار است. پیش‌بینی می‌شود تا پنج سال دیگر حجم ترافیک داده به حدود ۲۱، ۱۰ بایت برسد! به‌علاوه تا آن موقع، تعداد ابزار‌های متصل به اینترنت حدود ۲۸ میلیارد دستگاه تخمین زده می‌شود. از سوی دیگر، انتظار می‌رود با ارتقای شبکه‌های موبایل از نسل چهارم (۴G) به نسل پنجم (۵G) سرعت دانلود به طور قابل ملاحظه‌ای افزایش یابد. این همه یعنی مصرف هرچه بیشتر انرژی الکتریکی برای محاسبات.

با این رشد شگرف، برخی پیش‌بینی‌ها حکایت از آن دارند که میزان مصرف انرژی الکتریکی برای محاسبات هم تا پنج سال دیگر به حدود ۱۲ درصد از کل انرژی الکتریکی تولید شده می‌رسد. حتی برخی از محققان نیز با نگاهی نسبتا بدبینانه مقدار انرژی مورد نیاز برای محاسبات را در پنج سال آینده تا یک پنجم انرژی الکتریکی کل برآورد می‌کنند. طبیعی است در چنین شرایطی این سوال اساسی مطرح شود که آیا اساسا بشر قادر است این میزان انرژی را بدون آسیب رساندن به آب و هوای زمین تولید کند؟ آیا می‌توان به تولید پایدار انرژی الکتریسته تا این میزان امید داشت؟

مسأله گرم شدن پردازشگر‌ها
وضعیتی که تا اینجا اشاره کردیم زمانی پیچیده‌تر می‌شود که توجه کنیم همین حالا هم بخش قابل ملاحظه‌ای از انرژی الکتریکی مصرفی در پردازشگر‌ها فقط باعث گرم‌شدن آن‌ها می‌شود. در این صورت چه باید کرد که چنین نشود؟ اینجاست که علم فیزیک چالش‌هایی اساسی را پیش می‌کشد. نخست ببینیم چرا تراشه‌ها یا همان مدار‌های مجتمع سیلیکونی که در همه ابزار‌های محاسباتی مورد استفاده هستند گرم می‌شوند؟

حتما شنیده‌اید همه رایانه‌ها بر مبنای منطق صفر یا یک کار می‌کنند. یک ابزار الکترونیکی به نام ترانزیستور با عبور یا عدم عبور جریان الکتریکی چنین منطقی را عملیاتی می‌کند. طبیعی است هنگام عبور جریان از یک ترانزیستور بخشی از انرژی آن به گرما تبدیل شود. حال تجسم کنید یک مدار مجتمع الکتریکی یا همان تراشه سیلیکونی ممکن است از میلیارد‌ها ترانزیستور تشکیل شده باشد؛ بنابراین عبور جریان الکتریکی از یک تراشه منجر به تولید گرمای قابل توجهی می‌شود. برای بسیاری از ما این تجربه آشنایی است. وقتی لپ‌تاپی را روی پا قرار می‌دهیم گرمای ایجاد شده را به‌وضوح احساس می‌کنیم. اما چه کار می‌شود انجام داد تا گرمای تولیدشده به حداقل برسد؟ پاسخ این سوال اصلا ساده نیست.

راهکار‌های ترمودینامیک
در فیزیک شاخه‌ای به نام ترمودینامیک (یا همان فیزیک گرما) وجود دارد. در این بخش از فیزیک، قوانین حاکم بر تولید و انتشار گرما مورد بحث قرار می‌گیرد. به نظر می‌رسد ترمودینامیک در ارتباط با تراشه‌های رایانه‌ای باید مورد مطالعه قرار گیرد. به بیان دیگر، ضروری است محاسباتی انجام شوند تا میزان گرمای تولید شده در تراشه‌ها بر اساس محاسباتی که انجام می‌دهند به دست آید.

محققان بسیاری در این مسیر در حال تحقیق‌اند. حتی ترمودینامیک کلاسیک که مختص سامانه‌های تعادلی است به وضعیت‌هایی تعمیم داده شده است که به‌عنوان حالت‌های غیر تعادلی شناخته می‌شوند. گام‌های اولیه در این راستا برداشته شده‌اند، با این حال هنوز تا دستیابی به محاسبات دقیق طراحی تراشه با کمترین میزان تولید گرما کار‌های زیادی باید انجام شود. از سوی دیگر، تراشه‌های ساخته‌شده روز به روز کوچک‌تر می‌شوند و تعداد بسیار بیشتری ترانزیستور را در حجم کوچک‌تری جای می‌دهند. اما به‌تدریج به مرحله‌ای نزدیک می‌شویم که ترانزیستور‌ها را نمی‌توان از حدی بیشتر نزدیک هم قرار دارد؛ زیرا گرمای تولیدشده می‌تواند عملکرد آن‌ها را تحت‌تأثیر قرار دهد. دقیقا همین محدودیت‌های فیزیکی است که باعث می‌شوند بخش عمده انرژی الکتریکی مصرفی در تراشه‌ها به گرما تبدیل شود.

اما شاید برای کاهش مصرف انرژی تراشه‌ها لازم است نوع طراحی آن‌ها کاملا تغییر یابد. مهم‌تر آن‌که چرا می‌توان به دستیابی به چنین هدفی امیدوار بود؟

اَبَررایانه‌های فعلی مقادیر بسیار عظیمی انرژی الکتریکی مصرف می‌کنند؛ به طوری که استفاده از سامانه‌های سرمایشی برای آن‌ها لازم است. این در حالی است که مغز آدمی، به عنوان یک ابررایانه زیستی، فقط با یک سوم انرژی یک لپ‌تاپ کار می‌کند. به‌همین دلیل است که برخی از محققان بر این باورند که شاید با نگاهی دقیق‌تر به سامانه‌های زیستی بتوانیم به نسل جدیدی از محاسبه‌گر‌های فوق‌العاده سریع دست یابیم که انرژی مصرفی‌شان بسیار کم باشد. البته این‌ها فعلا گمانه‌زنی‌های نظری است، هر چند پیشرفت‌هایی هم تاکنون حاصل شده‌اند.

آینده نامعلوم مدیریت انرژی ابزار‌های الکترونیک
در حال حاضر، در ساخت همه مدار‌های مجتمع از سیلیکون استفاده می‌شود. کمترین انرژی لازم برای آن‌که ترانزیستور‌ها در این بستر سیلیکونی کار کنند نسبتا بالاست. استفاده از موادی مثل ژرمانیوم، نانو تیوب‌های کربن یا گرافن احتمالا می‌تواند به کاهش مؤثر گرمای تولیدشده کمک شایانی کند.

حتی پیشنهاد شده است از برخی پدیده‌های کوانتومی برای تقلیل گرما تولیدشده استفاده شود. استفاده از سایر رهیافت‌های انتقال اطلاعات مبتنی بر برخی خصوصیات کوانتومی، مثل اسپین یا فوتون‌های نور نیز در دستور کار است. اما بعید است در آینده نزدیک چنین فناوری‌های نوینی به صورت محصولات تجاری درآیند که بتوانند در کاهش انرژی الکتریکی مصرفی نقش مؤثری ایفا کنند.

اما برخی از محققان بر این باورند نسل آینده تراشه‌ها احتمالا ترکیبی از فناوری‌های فعلی و دستاورد‌های نوین خواهند بود. البته به لحاظ مطالعات نظری پیشرفت‌های صورت‌گرفته قابل توجه است؛ ولی نکته کلیدی این است که تبدیل این یافته‌ها به صورتی که در دسترس همه قرار گیرد کار چندان آسانی نیست. به این ترتیب به نظر می‌رسد عطش سیری‌ناپذیر نوع بشر به فناوری‌های اطلاعاتی و ابزار‌های مرتبط با آن وارد مرحله‌ای شده است که دوام پایای آن مستلزم دوراندیشی‌های جدی است.

منبع: روزنامه جام جم

انتهای پیام/