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

10.11.2018      15868

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:
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

GitHub опубликовал статистику по языкам и проектам за 2022 год

Новость ИТ-новость Языки программирования Разработка

В статистическом отчете репозитория названы самые популярные языки программирования среди пользователей платформы, а также данные об активности аудитории сервиса.

01.12.2022    1238    VKuser24342747    11       

Инспекторы смогут проводить дистанционные проверки через смартфон

Новость ИТ-новость Мобильные приложения

Минэкономразвития представило мобильное приложение, которое позволит осуществлять надзорные мероприятия бизнеса без посещения офиса. Программа работает через Госуслуги.

28.11.2022    1198    VKuser24342747    0       

«Яндекс» представил бесплатный сервис для быстрого поиска в облаке

Новость ИТ-новость Облачные технологии

Сервис Managed Service for OpenSearch от платформы Yandex Cloud предназначен для оптимизации поисковых систем и проверки стабильности и безопасности работы приложений. Услуга доступа в режиме Public Preview.

24.11.2022    1457    VKuser24342747    1       

В декабре начнут действовать новые правила регистрации доменов .RU и .РФ

Новость ИТ-новость Роскомнадзор

С 12 декабря Роскомнадзор получит право прекращать делегирование домена, если он оформлен нелегально, или на сайте содержится запрещенная в России информация.

23.11.2022    1200    VKuser24342747    1       

Stack Overflow запустил проект для оффлайн-доступа к форуму

Новость ИТ-новость Разработка

Проект под названием Overflow Offline позволяет скачать актуальную версию архива вопросов и ответов по разработке ПО. По объему данных база форума уступает только «Википедии».

02.11.2022    1171    VKuser24342747    1       

Минцифры запустило магазин российского ПО из реестра ИТ-решений

Новость Импортозамещение ИТ-новость

Маркетплейс «Руссофт» стал доступен для всех пользователей. С его помощью можно подобрать программы от отечественных разработчиков для решения корпоративных задач бизнеса.

21.10.2022    1647    VKuser24342747    4       

В ноябре начнется создание российского государственного аналога GitHub

Новость ИТ-новость

Правительство озвучило дату запуска эксперимента по разработке отечественного репозитория ПО. Исходники программ, в том числе разработанных для госорганов, будут публиковаться в нем под открытой лицензией.

19.10.2022    2392    VKuser24342747    14       

OpenAI опубликовала код системы распознавания речи Whisper

Новость Искусственный интеллект ИТ-новость

OpenAI открыла исходный код эталонной реализации на базе фреймворка PyTorch и набор уже обученных моделей для использования под лицензией MIT. Нейросеть используется для перевода речи в текст.

28.09.2022    2682    VKuser24342747    0       

Вторая версия среды разработки для плат Arduino вышла из бета-теста

Новость ИТ-новость Микроэлектроника

Arduino IDE 2.0 получила стабильную версию, в которой появилась поддержка автодополнения кода и темная тема. Разработка заняла несколько лет. Программа распространяется бесплатно.

23.09.2022    2672    VKuser24342747    0       

Основатель движения свободного ПО выпустил руководство по языку C

Новость Linux ИТ-новость Языки программирования

Ричард Мэттью Столлман, основатель Фонда свободного программного обеспечения, представил руководство по языку C и расширениям GNU. Пособие доступно всем желающим и предназначено как для опытных, так и начинающих программистов.

19.09.2022    2225    VKuser24342747    0       

«Ростелеком» предложил создать национальную экосистему на базе «Авроры»

Новость Импортозамещение ИТ-новость Мобильные приложения

Провайдер считает, что государственная мобильная экосистема поможет обеспечить технологическую независимость и экономический подъем страны. А ОС «Аврора» наиболее перспективная разработка для достижения этих целей.

15.09.2022    2166    VKuser24342747    5       

Яндекс выложил в открытый доступ инструмент для разработки мобильных приложений

Новость ИТ-новость Мобильные приложения Яндекс

Фреймворк DivKit от Яндекса стал доступен как open source решение. Инструмент позволяет менять интерфейс приложений без скачивания обновлений и значительно ускоряет мобильную разработку.

02.09.2022    1847    VKuser24342747    0       

Группа компаний «Астра» представила собственную мобильную ОС

Новость Linux ИТ-новость Мобильные приложения

Доработанная ОС Astra Linux Special Edition может быть запущена на большом числе мобильных устройств, в том числе на планшетах и смартфонах с процессорами на архитектурах ARM, «Эльбрус» и x86-64.

25.08.2022    1512    VKuser24342747    1       

В России разработаны меры для решения проблемы нехватки ИТ-специалистов

Новость ИТ-новость

Вице-премьер Дмитрий Чернышенко сообщил, что сейчас экономике страны не хватает 1 млн ИТ-специалистов. Способы преодоления дефицита закреплены в программе нацпроекта «Цифровая экономика»

05.08.2022    1662    VKuser24342747    11       

Яндекс открыл доступ к фреймворку для создания приложений с микросервисной архитектурой

Новость GitHub ИТ-новость Яндекс

Инструмент Userver опубликован как бесплатное open source решение. Яндекс уже несколько лет эффективно его использует в своих приложениях Go, «Еда», «Лавка», «Доставка» и другие. Фреймворк находится в стадии бета – переезда на открытую разработку.

02.08.2022    2520    VKuser24342747    19       

Бизнес сможет использовать повышающий коэффициент для расходов на покупку ПО

Новость ИТ-новость

Принят закон, который позволяет компаниям учитывать расходы на отечественные программы и радиоэлектронное оборудование с коэффициентом 1,5. Решения должны быть включены в соответствующие реестры и относиться к ИИ.

26.07.2022    2277    VKuser24342747    0       

Минэкономразвития тестирует миграцию с Windows 10 на Astra Linux

Новость ИТ-новость

Министерство проводит эксперимент, в ходе которого сотрудники используют российскую ОС Astra Linux вместо Windows 10. По словам главы департамента, эксперимент проходит успешно.

11.07.2022    1842    VKuser24342747    0       

Вышла версия открытого текстового редактора Vim 9.0

Новость ИТ-новость

В приложение добавлен скриптовый язык с поддержкой компилируемых функций для создания плагинов, улучшена проверка правописания и автодополнения, предоставлен выбор цветовых схем.

07.07.2022    2008    VKuser24342747    0       

 «Яндекс» открыл доступ к SmartCaptcha и нейросети по генерации текстов 

Новость ИТ-новость Яндекс

Компания открыла доступ к алгоритму SmartCaptcha, который защищает сайт от спама и DDoS-атак, а также к проекту YaLM 100B, способному писать тексты на английском и русском языках. 

29.06.2022    2262    VKuser24342747    0       

«Яндекс» предложил разработчикам пройти диагностику технических навыков

Новость Кадровые агентства, подбор персонала ИТ-новость Яндекс

Компания запустила сервис, при помощи которого можно получить оценку своих технических навыков от специалистов «Яндекса». Тестирование включает онлайн-интервью и решение задач с реальных собеседований. 

27.06.2022    2181    VKuser24342747    1       

GitHub открыл доступ всем разработчикам к ИИ-помощнику Copilot по подписке

Новость GitHub Искусственный интеллект ИТ-новость

Github Copilot стал общедоступным, но для его использования пользователю репозитория нужно приобрести подписку. Хотя некоторые разработчики могут пользоваться инструментом бесплатно.

24.06.2022    3862    VKuser24342747    1       

В России планируют учредить Федерацию спортивного программирования

Новость ИТ-новость

Минцифры и Минспорта подписали меморандум, в котором закреплено сотрудничество ведомств по развитию в стране спортивного программирования и проведение первого официального чемпионата.

21.06.2022    2767    VKuser24342747    6       

Microsoft окончательно прекратила поддержку Internet Explorer

Новость Интернет ИТ-новость

Microsoft прекратила выпуск обновлений для своего браузера Internet Explorer, а с августа начнет удалять приложение из актуальных версий Windows. Эксперты полагают, что из-за этого пострадает много бизнес-пользователей.

17.06.2022    3269    VKuser24342747    4       

В России начал работу отечественный сервис мониторинга сбоев

Новость Импортозамещение Интернет ИТ-новость

Российская компания BrandAnalytics запустила платформу «Детектор сбоев», предназначенную для отслеживания работоспособности сайтов и сервисов, в том числе русскоязычных.

16.06.2022    2119    VKuser24342747    0       

Минцифры запустило систему отслеживания поддельных сайтов

Новость Безопасность Интернет ИТ-новость

Информационная система под названием «Антифишинг» способна обнаруживать мошеннические веб-ресурсы, которые выглядят как официальные сайты госорганов, компаний и соцсетей.

14.06.2022    2967    VKuser24342747    0