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

Мэрия Москвы разработала мессенджер для замены Telegram и Skype

Новость Импортозамещение ИТ-новость Мессенджеры

Российская компания ID Partner совместно с правительством Москвы создала приложение TDM Messenger. Согласно описанию, оно позволяет полностью заменить другие мессенджеры, в том числе Telegram и Skype.

вчера в 17:18    884    VKuser24342747    1       

Совсем взрослый стал: Python исполнилось 30 лет

Новость ИТ-новость Языки программирования

Python является самым молодым из наиболее популярных языков программирования. Впрочем, все относительно: на днях Python исполнилось 30 лет.

вчера в 15:29    511    user1015646    0       

Энтузиасты создали для популярного эмулятора патч с поддержкой процессоров «Эльбрус»

Новость ИТ-новость Микроэлектроника Новости компаний

Свободный эмулятор QEMU получил неофициальную поддержку отечественной архитектуры процессоров «Эльбрус». В разработке реализовано около 80% набора инструкций «Эльбрус-8С».

01.03.2021    1709    VKuser24342747    0       

Российский разработчик создал неофициальную версию Clubhouse для Android

Новость Android ИТ-новость Мессенджеры Мобильные приложения

Бывший разработчик из «ВКонтакте» Григорий Клюшников выпустил приложение для Android, предоставляющее доступ к большинству функций Clubhouse. Официально соцсеть доступна только пользователям iOS.

26.02.2021    2011    VKuser24342747    0       

Масштабное обновление Trello: пять новых видов досок и интеграция с Google Docs

Новость ИТ-новость Новости компаний

Компания Atlassian выпустила масштабное обновление сервиса управления проектами Trello. Разработчики изменили дизайн, добавили пять новых видов досок и реализовали для карточек возможность отображать информацию из сторонних сервисов.

25.02.2021    3511    user1015646    0       

Видеоигра на базе нейросетевого генератора текстов стала бизнес-консультантом

Новость Видеоигры Искусственный интеллект ИТ-новость

Энтузиаст использовал возможности текстового квеста, генерирующего разнообразные миры при помощи нейросети GPT-3, чтобы получать советы по ведению бизнеса. Часть идей ИИ оказалась пригодной для использования.

25.02.2021    2067    VKuser24342747    1       

В ближайшие годы возрастет потребность в персонале центров обработки данных

Новость Дата-центры ИТ-новость Цифровая экономика

Согласно отчету Uptime Institute, количество сотрудников, необходимых для обеспечения работы ЦОД, вырастет с 2 млн. в 2019 году до 2,3 млн. в 2025 году.

24.02.2021    2089    SKravchenko    0       

Google кардинально изменит дизайн Android 12

Новость Android Google ИТ-новость Мобильные приложения Новости компаний

Компания Google анонсировала глобальное обновление популярной операционной системы Android. Новая версия выйдет под номером 12. Говорят, что Android 12 назовут «Snow cone» – летний десерт из сладкого колотого льда.

24.02.2021    2415    mouse187    0       

Google представила новый сервис для поиска уязвимостей в открытом ПО

Новость Google Безопасность ИТ-новость

Компания Google запустила платформу с открытым исходным кодом OSV (Open Source Vulnerabilities). Она создана для поиска и закрытия уязвимостей в свободном ПО.

18.02.2021    1336    user1015646    0       

Отечественная компания представила сервер приложений Java EE

Новость ИТ-новость Новости компаний Языки программирования

Российская компания Bellsoft представила отечественный аналог сервера Oracle и IBM для JavaEE. Раньше продукт на базе открытого кода был доступен только для некоторых клиентов организации.

17.02.2021    2368    VKuser24342747    4       

Rustоманы из Долины: Google, Microsoft, Huawei, Mozilla и AWS основали фонд поддержки языка программирования

Новость Google ИТ-новость Новости компаний Языки программирования

Rust – перспективный язык, который широко применяется в разработке операционных систем и высоконагруженных веб-сервисов. Rust Foundation будет заниматься поддержкой и развитием языка.

16.02.2021    1611    user1015646    0       

В Microsoft Teams появилась платформа для общения и обучения

Новость Интернет ИТ-новость Мессенджеры Новости компаний

Microsoft добавила новые функции в корпоративный мессенджер Teams. В подключенной к нему платформе Viva можно пройти обучение, пообщаться с коллегами или улучшить организацию работы.

15.02.2021    3188    user1015646    0       

Google рассказала, как защищает Android от взломов

Новость Android Google Безопасность ИТ-новость

Google опубликовала информацию о том, как компания пытается улучшить безопасность Android, и какие шаги предпринимаются для борьбы с распространенными угрозами. Отчеты об уязвимостях играют в этом значительную роль.

12.02.2021    1912    SKravchenko    0       

Для регионов разработают приложение онлайн-записи на прием к врачам

Новость ИТ-новость Медицина Минкомсвязь Цифровая экономика

О возможностях приложения рассказали в Минздраве и Минцифре.

10.02.2021    1922    Senator_I    2       

Google разработает новую мобильную ОС

Новость MobileOS Google ИТ-новость Мобильные приложения

Корпорация Google создаст мобильную операционную систему для повышения безопасности использования устройств. Проект запущен под рабочим названием microdroid.

09.02.2021    2148    user1015646    0       

Google закрывает собственную игровую студию Stadia

Новость Google Видеоигры ИТ-новость Новости компаний

1 февраля Google официально закрыл собственную студию разработки игр для проекта Stadia, чтобы сосредоточить внимание на технологиях, лежащих в основе платформы.

09.02.2021    1505    SKravchenko    0       

Google представила технологию для замены cookies

Новость Google Интернет ИТ-новость

Методы сбора файлов cookies для повышения точности подбора рекламы не раз упрекали в нарушении личного пространства пользователей. Компания Google представила технологию, которая позволит отказаться от cookies и повысить уровень конфиденциальности.

09.02.2021    1268    user1015646    0       

Украинская команда FireWay одержала победу в хакатоне NASA Space Apps Challenge 2020

Новость ИТ-новость Стартапы

Украинская команда FireWay из Днепра стала победителем международного хакатона NASA Space Apps Challenge. Их изобретение было описано как «решение, которое демонстрирует наиболее инновационное использование технологии».

05.02.2021    1981    SKravchenko    2       

Китайцы разработали целых две альтернативы Flash

Новость Интернет ИТ-новость

Китайцам пришлось разработать собственную технологию ReFla взамен Flash для предотвращения сбоев в работе систем. Также они выпустили доработанную версию Flash Player с кодом 34.0.0.92.

04.02.2021    2119    mouse187    4       

Популярные дистрибутивы Linux могут лишиться поддержки Chromium

Новость Linux Google Интернет ИТ-новость

Из дистрибутивов Arch Linux, Fedora, Debian, Slackware и openSUSE может исчезнуть поддержка браузеров на движке Chromium. Причина – жесткие правила Google, из-за которых возникли проблемы с синхронизацией данных.

03.02.2021    2394    user1015646    3       

Microsoft участвует в разработке цифрового паспорта вакцинации от Covid-19

Новость ИТ-новость Медицина

Крупнейшие корпорации из сектора здравоохранения и ИТ-гиганты, такие как Microsoft, Salesforce и другие, объединились для создания цифровых идентификационных карт, которые подтверждают статус вакцинации против Covid-19.

02.02.2021    1775    capitan    3       

Что нового в Chrome 88: проверка надежности паролей и поддержка профилей

Новость Google Интернет ИТ-новость

Компания Google представила новый релиз браузера Chrome и обновила движок Chromium. Теперь ПО будет предупреждать о небезопасных паролях, а пользователь сможет создать привязанный к учетной записи профиль для персонализации работы в сети.

01.02.2021    2239    user1015646    0       

280 символов для науки: Twitter откроет доступ ученым к архиву твитов

Новость ИТ-новость Соцсети

Twitter предоставит академическим исследователям социальных сетей бесплатный доступ почти ко всем твитам. Исключение площадка сделает только для заблокированных аккаунтов.

29.01.2021    1494    VKuser24342747    1       

Отключение Flash на сутки лишило город железнодорожных служб

Новость Интернет ИТ-новость

Прекращение поддержки Flash парализовало работу железнодорожной сети китайского города-миллионника. Организация проигнорировала предупреждения Adobe о грядущем отключении технологии.

29.01.2021    1882    VKuser24342747    1       

Amazon представил форк Elasticsearch с открытым исходным кодом

Новость ИТ-новость Новости компаний Облачные технологии

Компания Amazon намерена развивать собственную версию решения для поиска, хранения и анализа данных Elasticsearch. Форк можно будет использовать в проектах с открытым исходным кодом.

28.01.2021    2307    user1015646    0