Ученые из Санта-Фе решат проблему энергонеэффективных компьютеров с помощью термодинамики

10.11.2018     

В мире огромное количество электроэнергии потребляют компьютеры. Только в США 5% от используемого электричества идет именно на нужды машин, утверждают ученые из института Санта-Фе. При этом не учитываются вторичные расходы: например, на охлаждение компьютеров. 

Но сделать компьютеры более энергоэффективными можно: для этого команда ученых решила углубиться в термодинамику вычислений. 

Энергопотребление на примере биологических систем

Проблема избыточного потребления энергии возникает не только у искусственных цифровых компьютеров. Существует множество естественных систем, сходных по этому параметру с машинами. Примером тому может служить мозг человека. Он использует 10-20% калорий, потребляемых человеком. Потребность в большем количестве пищи является платой за развитие абстрактного мышления.

Клеточные системы также можно рассматривать с точки зрения вычислительных технологий. Но их термодинамические затраты оказываются эффективнее, чем у самых современных компьютеров: энергетический бюджет расходуется при переводе РНК в последовательность белков. Процесс синтеза обеспечивает жизнедеятельность организма, а эффективность этих биологических вычислений оказывается на много порядков выше, чем у компьютеров. 

Какие законы физики регулируют связь между точным вычислением системы и количеством энергии, в которой она нуждается? Можно ли сделать компьютеры более эффективными, по-новому взглянув на реализацию их алгоритмов?

 

 

Неравновесные термодинамические системы

На эти вопросы пытаются ответить ученые из исследовательского проекта по изучению термодинамики вычислений института Санта-Фе. Но они оказались не первыми, кого взволновала эта проблема. Полтора века исследователи из различных областей науки обращались к проблемам энергоэффективности вычислительных систем, используя лишь формальную логику и анализ «от противного», так как математика в то время не была достаточно зрелой. Это привело ко многим открытиям, в том числе работам Рольфа Ландауэра и Чарльза Беннета.

Однако они были ограничены тем, что пытались применить равновесную статистическую физику для анализа термодинамики компьютеров. Но компьютеры – неравновесные системы, то есть, их состояние никогда не остается неизменным.

За последние десятилетия произошли крупные прорывы в области неравновесной статистической физики, которые позволили анализировать процессы изменения тепла, энергии и информации в неравновесных системах.

Термодинамика вычислительных процессов

Научные открытия позволили вычислить отличную от нуля вероятность того, что определенная система нарушит второй закон термодинамики, уменьшив его энтропию за определенный промежуток времени. 

Энтропия – мера необратимого рассеивания энергии, мера отклонения реального процесса от идеального.

Второй закон термодинамики гласит, что для вселенной в целом энтропия возрастает. Определение второго закона термодинамики опирается на первый закон термодинамики, утверждающий, что энергия убывает. Теперь у исследователей есть инструменты для работы, чтобы пересмотреть всю тему термодинамики вычислений. Это уже сделано для проблемы стирания битов информации, темы, которая так интересовала Ландауэра.

Принцип Ландауэра – предположение, что существует ограничение на минимальные энергетические затраты, необходимые для выполнения вычислений. Его высказал в 1961 году сотрудник IBM Рольф Ландауэр.

 

 

Однако компьютерная наука простирается далеко за пределы проблемы бит-стираний в этом вычислении. Благодаря прорывам неравновесной статистической физики ученые могут исследовать вычислительные системы с термодинамической точки зрения. Переходя от отдельных бит к более сложным схемам, исследователи проанализировали термодинамические затраты «линейных электрических цепей». Этот анализ привел к новым решениям в теории информации.

Информатику можно определить как науку о компромиссах между ресурсами памяти и количеством времени для выполнения вычисления. В свете вышесказанного кажется, что при проведении вычислений может быть гораздо больше термодинамических компромиссов. Такие компромиссы будут применяться как на искусственных, так и на биологических компьютерах.

Но для развития этой «термодинамики вычислений» как науки придется проделать еще огромное количество работы.


Автор:
Сергей Кравченко Обозреватель


Актуальна ли проблема энергоэффективности компьютеров для вашей компании?


Да, очень актуальна (41.67%, 5 голосов)
41.67%
Не очень (25%, 3 голосов)
25%
Вообще не актуальна (33.33%, 4 голосов)
33.33%

Комментарии
В избранное Подписаться на ответы Сортировка: Древо развёрнутое
Свернуть все
1. DmitriyV 10.11.18 11:02 Сейчас в теме
У нас круглосуточно включены компьютеры
2. YanTsys 12 10.11.18 19:12 Сейчас в теме
(1) но при этом автоматически уходят в спящий режим?
3. DmitriyV 11.11.18 02:37 Сейчас в теме
(2) нет. Можно подключиться через удаленный доступ
4. YanTsys 12 12.11.18 18:40 Сейчас в теме
(3) Гринписок на вас нет :))) Хоть гашение мониторов срабатывает? Когда никто не подключен экраны выключаются?
5. DmitriyV 15.11.18 14:05 Сейчас в теме
(4) да, мониторы гасятся. Выключение компьютера негативно влияет на жёсткий диск. Каждый цикл выключения и включения, по измерениям производителей, сокращает его жизнь примерно на 40 часов. Более того, некоторые эксперты уверяют, что его вообще не надо выключать, поскольку электронные компоненты в работающем ПК нагреваются и, следовательно, расширяются, а в выключенном - остывают и сжимаются. Частая смена этих фаз ведет к износу машины. Большинство повреждений электронной техники вообще, и персональных компьютеров в частности, происходит именно в моменты ее включения и выключения. Особенно опасен момент включения. Вообще для электроники – из-за так называемых «бросков» электрического тока и теплового расширения электронных компонентов – именно включение – потенциальная «маленькая смерть»! Поэтому не стоит злоупотреблять частыми выключениями/включениями персонального компьютера
6. YanTsys 12 15.11.18 21:48 Сейчас в теме
(5) Красиво аргументируете :) Спасибо, пригодится если встанет вопрос почему я сам, не выключаю :) хотя на самом деле основной причиной является скорость вливания в рабочий процесс. Когда все окна находятся в том же виде что и оставлял, легче утром продолжить выполнять все задачи с того места на котором прервался вчера.
Оставьте свое сообщение

См. также

Windows 10 сможет запускать приложения с Android-смартфонов

Новость Windows Android ИТ-новость Новости компаний

5 августа 2020 года Microsoft объявила о новшествах, которые появятся в Insider Preview Build 20185. Одной из самых интересных функций стало дальнейшее развитие службы «Ваш телефон».

07.08.2020    491    capitan    1       

Программист из Slack превратил MacOS 8 в кроссплатформенное приложение

Новость ОС Mac OS ИТ-новость

Разработчик создал приложение, позволяющее запустить MacOS 8 на современных компьютерах как обычное приложение. Для этого не понадобится даже предварительно устанавливать эмулятор.

06.08.2020    623    VKuser24342747    0       

МТС получил первую в России лицензию на развитие сети 5G

Новость ИТ-новость Новости компаний Телекоммуникации

Роскомнадзор предоставил МТС лицензию на строительство сети 5G по всей территории России — в 83 из 85 субъектов. Срок действия лицензии - до лета 2025 года. Для развития сети были выданы частоты от 24,25 до 24,65 ГГц.

05.08.2020    647    user-programmist    1       

Работа с большими данными во всем мире должна регулироваться профстандартом

Новость Искусственный интеллект ИТ-новость

Британское компьютерное общество (BCS) вместе с Королевским статистическим обществом (RSS) и Королевской инженерной академией (RAEng) начали работу по созданию профстандартов в отрасли больших данных (BigData).

05.08.2020    537    SKravchenko    3       

GitHub представил дорожную карту развития сервиса

Новость GitHub ИТ-новость

GitHub будет лучше знакомить разработчиков с грядущими обновлениями сервиса при помощи публичных дорожных карт. Пользователи смогут влиять на выполнение запланированных улучшений и помогать им продвигаться вперед по карте.

05.08.2020    525    VKuser24342747    0       

IEEE опубликовал свежий рейтинг языков программирования

Новость ИТ-новость Языки программирования

Институт инженеров электротехники и электроники IEEE Spectrum недавно опубликовал свой рейтинг языков программирования за 2020 год. Как и в последние несколько лет Python снова лидирует, но есть и несколько сюрпризов.

04.08.2020    743    SKravchenko    1       

Facebook запускает конкурента Zoom

Новость ИТ-новость Мессенджеры Новости компаний

23 июля Facebook объявил, что расширяет возможности Messenger Rooms и Facebook Live, – теперь пользователи могут организовывать онлайн-совещания с участием до 50 человек.

03.08.2020    524    SKravchenko    0       

Виртуальные фанаты заполнят пустые стадионы

Новость Искусственный интеллект ИТ-новость Телекоммуникации

Из-за пандемии COVID-19 сто двадцатый сезон в истории главной лиги бейсбола США пройдет с пустыми стадионами. Но Fox Sports для своих трансляций будет заполнять трибуны виртуальными фанатами с цифровой визуализацией.

31.07.2020    597    SKravchenko    2       

Начался выпуск российских материнских плат для ARM-процессоров «Байкал»

Новость Импортозамещение ИТ-новость Микроэлектроника

Первую российскую материнскую плату для нового ARM-процессора Baikal-M представили компании «Байкал электроникс», «Эдельвейс» и «Базальт СПО». Ориентировочная стоимость платы – 50 тыс. рублей.

30.07.2020    727    user1015646    3       

Банки оценили переход на отечественное ПО в сотни миллиардов рублей

Новость Банки ИТ-новость Цифровая экономика

Российские банки пересчитали планируемые расходы на внедрение отечественных программ. Затраты финансовых учреждений могут составить до 150 млрд рублей.

30.07.2020    519    VKuser24342747    0       

Молодые сотрудники используют больше разных приложений для работы

Новость Автоматизация Аналитика ИТ-новость

Исследование, проведенное консалтинговой фирмой Creative Strategies по изучению сотрудничества, показало значительные различия в стиле и подходе к работе у разных возрастных групп.

29.07.2020    819    SKravchenko    0       

Microsoft представила утилиту для мониторинга процессов в Linux

Новость Linux ИТ-новость Новости компаний

Компания Microsoft выпустила утилиту ProcMon (Process Monitor) для Linux. Программное обеспечение распространяется под открытой лицензией MIT. Ранее ProcMon была доступна только для Windows.

29.07.2020    705    user1015646    2       

Google сделает Android Go обязательной на устройствах с ОЗУ меньше 2 ГБ

Новость Google ИТ-новость Мобильные приложения

С октября 2020 года на все новые Android-устройства, имеющие объем ОЗУ 2 ГБ и менее, Google заставит устанавливать Android Go – модифицированную версию Android для устройств начального уровня.

28.07.2020    1604    SKravchenko    0       

Google Cloud представил новые средства безопасности

Новость Google Безопасность ИТ-новость

Облачная платформа Google Cloud разработала новые инструменты для обеспечения безопасности. Они ориентированы на крупные коммерческие компании, банки и государственные учреждения.

28.07.2020    678    user1015646    0       

ПК на Windows могут перейти на ARM-процессоры

Новость Windows Mac OS ИТ-новость Микроэлектроника

22 июня Apple объявила о переходе Mac на процессоры собственного производства на базе архитектуры ARM. Первые системы появятся к концу года, начав двухлетний переходный период.

24.07.2020    1859    SKravchenko    1       

Разработчики GitHub представили GCM Core – инструмент универсальной аутентификации для Git-серверов

Новость GitHub ИТ-новость

Git Credential Manager Core – это кроссплатформенный инструмент, который может стать альтернативой традиционной HTTPS- или SSH-аутентификации для Git-серверов. Планируется, что в будущем он заменит существующие утилиты аутентификации для Windows, macOS и Linux.

24.07.2020    1109    user1015646    1       

Google выпустила большое обновление Chrome

Новость Google Безопасность Интернет Интерфейсы ИТ-новость

14 июля Google выпустила стабильную версию браузера Chrome 84 Desktop для Windows, Mac и Linux. Новый Chrome получил поддержку Web OTP API, ярлыки PWA и умеет блокировать навязчивые уведомления.

23.07.2020    1733    SKravchenko    0       

GitHub разместил пленочный архив открытого кода в арктическом хранилище

Новость GitHub ИТ-новость

GitHub завершил масштабный перенос архива открытого исходного кода в хранилище Arctic World Archive. Данные будут храниться в виде фотоснимков на пленочных накопителях.

22.07.2020    1109    VKuser24342747    2       

Денег нет: «Сколково» прекратило выдавать некоторые гранты до 2021 года

Новость ИТ-новость Минфин Стартапы Цифровая экономика

Фонд «Сколково» приостановил выдачу грантов за деньги Минфина. Высокотехнологичные компании смогут претендовать на финансирование только в следующем году.

21.07.2020    1165    VKuser24342747    1       

Docker и Amazon Web Services провели взаимную интеграцию инструментов разработчика

Новость Интеграция ИТ-новость Новости компаний

Docker и Amazon вышли на новый этап партнерства. Компании завершили двустороннюю интеграцию инструментов разработчика: Elastic Container Service (ECS) и ECS on AWS Fargate A293; со стороны Amazon; Compose и Desktop developer – со стороны Docker.

20.07.2020    999    user1015646    0       

Министерство связи запустит единую платформу «Гостех» до конца 2021 года

Новость Законодательство ИТ-новость Минкомсвязь

Минкомсвязь определила правила проведения эксперимента по созданию единой цифровой платформы «Гостех». Поставщик и оператор системы до сих пор не назван.

17.07.2020    1140    VKuser24342747    0       

Microsoft не планирует поддерживать PHP 8.0 для Windows

Новость Windows Интернет ИТ-новость Новости компаний

Инженер Microsoft Дейл Хирт объявил, что Microsoft не будет больше поддерживать сборки Windows для языка сценариев PHP начиная с версии 8.0 и выше. Но компания планирует пока «продолжить разработку и сборку PHP под Windows для 7.2, 7.3 и 7.4».

17.07.2020    1154    SKravchenko    1       

«Яндекс» и Mail.ru по поручению правительства разработают аналог Zoom

Новость Mail.Ru ИТ-новость Минкомсвязь Новости компаний Облачные технологии Яндекс

Минкомсвязь совместно с российскими ИТ-компаниями хочет создать отечественного конкурента Zoom. В ведомстве убеждены, что России необходимо иметь свое приложение для видеоконференций.

16.07.2020    1464    VKuser24342747    4       

Amazon запустил сервис Honeycode для создания приложений без кода

Новость Интерфейсы ИТ-новость Новости компаний Облачные технологии

Новый сервис под названием Honeycode позволит клиентам Amazon Web Services без какого-либо опыта программирования создавать собственные приложения

16.07.2020    1287    SKravchenko    1       

Оператор маркировки запустил роуминговый обмен с ЭДО Лайт

Новость Infostart Software Partners Маркет Маркировка

К электронному документообороту от «Честного Знака», бесплатно доступному для представителей малого бизнеса, работающих с маркированным товаром, подключили роуминг с другими операторами.

14.07.2020    2060    Senator_I    0