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

JetBrains открыла ранний доступ к новой IDE для Data Science

Новость ИТ-новость Новости компаний

7 сентября JetBrains разместила в своем блоге статью с информацией о том, что новая IDE DataSpell, которая с марта 2021 года находилась в закрытом тестировании по программе раннего доступа (EAP), становится доступной для всех желающих.

24.09.2021    6850    capitan    1       

Microsoft предлагает отказаться от паролей в пользу сервиса Authentication

Новость Безопасность Интернет ИТ-новость Новости компаний

Microsoft видит проблему в стандартных паролях, которые зачастую повторяются и имеют низкую надежность. В компании убеждены, что альтернативные способы аутентификации более безопасны.

24.09.2021    1788    VKuser24342747    3       

Правительство утвердило разработку российского аналога GitHub

Новость ИТ-новость Цифровая экономика

Премьер-министр Михаил Мишустин на форуме Kazan Digital Week анонсировал создание отечественного репозитория, аналогичного GitHub. Проект реализуется в рамках второго пакета поддержки ИТ.

22.09.2021    6192    VKuser24342747    19       

Microsoft присоединилась к Open Infrastructure Foundation для развития облаков

Новость ИТ-новость Новости компаний Облачные технологии

Microsoft стала платиновым членом организации Open Infrastructure Foundation. Компания будет представлять интересы своих телекоммуникационных клиентов в OpenStack.

15.09.2021    4064    VKuser24342747    0       

Microsoft разрешит устанавливать Windows 11 на старые компьютеры

Новость Windows ИТ-новость Новости компаний

Microsoft пересмотрела правила установки Windows 11, которые не позволяли использовать ОС на компьютерах, не соответствующих системным требованиям. Для инсталляции придется создать загрузочный диск.

14.09.2021    3048    VKuser24342747    0       

Оплата лицом заработает на всех станциях метро Москвы

Новость Искусственный интеллект ИТ-новость Цифровая экономика

В столичном метрополитене внедряют систему FacePay. С 15 октября оплатить проезд можно будет, не доставая смартфон, карту или жетоны из кармана.

14.09.2021    2595    user1015646    2       

«Яндекс» представил технологию автоматического перевода любых видео на русский язык

Новость ИТ-новость Яндекс

«Яндекс» сделал функцию автоматического закадрового перевода иностранных роликов доступной для почти любых видео в интернете. Функция встроена в фирменный браузер компании.

13.09.2021    2708    VKuser24342747    4       

Исследователи синтезировали выразительную устную речь

Новость Искусственный интеллект ИТ-новость

Синтетическое воспроизведение речи от голосовых помощников и автопереводчиков не передает эмоций и интонаций. Специалисты NVIDIA разработали систему искусственного интеллекта, которая решает эту проблему: ее речь сложно отличить от естественной.

10.09.2021    9490    user1015646    0       

GitHub выпустил веб-редактор кода: возможности, о которых вы могли не знать

Новость GitHub Автоматизация Интернет ИТ-новость

Начинающим программистам часто сложно настроить среду разработки и установить весь необходимый софт. Для них, а также для специалистов, которые работают в распределенных командах, GitHub запустил новый сервис github.dev.

10.09.2021    5756    user1015646    0       

Раскрыта дата релиза Windows 11

Новость Windows ИТ-новость Новости компаний

Microsoft официально объявила, когда станет доступна новая версия самой популярной десктопной ОС. Обновиться с Windows 10 до Windows 11 можно будет уже 5 октября 2021 года.

09.09.2021    10158    user1015646    0       

В Google научились увеличивать изображения в 16 раз с восстановлением деталей

Новость Искусственный интеллект ИТ-новость

Раньше увеличить видео с камер наблюдения в десятки раз получалось только у героев фильмов. Но теперь такая возможность существует и в реальной жизни – инженеры Google разработали прорывную технологию масштабирования изображений.

09.09.2021    4489    user1015646    3       

Эксперты подготовили рекомендации по использованию кириллицы в доменах и почте

Новость Интернет ИТ-новость

Рабочая группа представила стандарты внедрения, обработки, хранения, валидации и адаптации кириллических символов для программ, поддерживающих доменные имена и email-адреса.

07.09.2021    2983    VKuser24342747    0       

Госструктуры перейдут на российские системы видеоконференций

Новость Импортозамещение ИТ-новость Облачные технологии

Российских чиновников переводят на использование отечественного сервиса видеоконференций. Будут внедрять систему TrueConf на базе ОС Astra Linux и процессоров Baikal-M от «Байкал Электроникс».

03.09.2021    3414    user1015646    0       

Минэкономики раскритиковало требования к обновлению оборудования для суверенного Рунета

Новость Импортозамещение Интернет ИТ-новость Телекоммуникации

Минэкономики пришло к выводу, что требования Минцифры затормозят развитие связи в России. По мнению специалистов ведомства, возможным последствием может стать ухудшение интернет-услуг провайдеров.

03.09.2021    2785    VKuser24342747    0       

Разработчики назвали любимые языки программирования

Новость ИТ-новость Языки программирования

Крупнейший форум для разработчиков Stack Overflow составил рейтинг любимых языков программирования. Первую строчку списка занял молодой, но перспективный Rust.

02.09.2021    5393    user1015646    3       

Петербургские ученые обучили нейросеть находить вредоносных ботов в соцсетях

Новость Безопасность Искусственный интеллект ИТ-новость Соцсети

Сотрудники Санкт-Петербургского федерального исследовательского центра Российской академии наук (СПб ФИЦ РАН) создали решение для поиска ботов, размещающих спам и дезинформацию на любом языке.

02.09.2021    2445    VKuser24342747    1       

Windows Server исключается из эксперимента по поставке обновлений Microsoft WaaS

Новость Windows ИТ-новость Новости компаний Облачные технологии

По результатам четырехлетнего эксперимента Windows as a Service Microsoft решила, что больше не будет обновлять Windows Server несколько раз в год. Для серверной ОС было решено вернуться к практике обновления каждые 2-3 года.

01.09.2021    5653    SKravchenko    0       

Microsoft добавила в Power BI инструменты аналитики для Angular-приложений

Новость Аналитика ИТ-новость

Microsoft представила новый компонент для создания веб-сервисов аналитики данных. Он позволит интегрировать функции Power BI в Angular-приложения.

31.08.2021    3469    user1015646    0       

Windows 11 лишится нескольких функций предыдущей версии системы

Новость Windows ИТ-новость

Microsoft в бета-версии Windows 11 изменила привычные функции. Из ОС исчезло отображение секунд на часах и возможность быстро добавлять события в календарь, а кнопка «Пуск» переместилась в центр панели задач.

31.08.2021    5062    VKuser24342747    6       

GitHub в версии утилиты CLI 2.0 добавил поддержку расширений

Новость GitHub ИТ-новость Новости компаний

Разработчики GitHub представили вторую версию утилиты для управления проектами при помощи командной строки CLI. Приложение поддерживает несколько стандартных расширений и создание собственных.

27.08.2021    6567    VKuser24342747    0       

Круглая дата: ядру Linux исполнилось 30 лет

Новость Linux ИТ-новость Новости компаний

Ядро Linux отмечает юбилей. О создании новой ОС 21-летний Линус Торвальдс объявил 25 августа 1991 года.

27.08.2021    4979    user1015646    2       

Искусственный интеллект научился распознавать изображения лучше человека

Новость Искусственный интеллект ИТ-новость

Алгоритм компьютерного зрения впервые превзошел человека. В экспериментах людям и системе искусственного интеллекта предлагали определить, что изображено на фото, и ответить на вопросы. Результат ИИ оказался выше, чем у человека.

26.08.2021    3808    user1015646    5       

Facebook представил криптобиблиотеку для разработчиков – Winterfell

Новость ИТ-новость Новости компаний

Специалисты Facebook выпустили новую библиотеку Winterfell. Проект с открытым исходным кодом может генерировать доказательство вычислительной целостности STARK.

24.08.2021    5530    user1015646    3       

В GitHub добавлена поддержка цитирования из репозиториев

Новость GitHub ИТ-новость

GitHub позволил использовать файл CITATION.cff, в котором можно указать, как правильно ссылаться на содержимое репозитория при написании академических публикаций.

24.08.2021    5453    VKuser24342747    0       

GitHub официально представил новую версию «Обсуждений»

Новость GitHub ИТ-новость

GitHub заявил о завершении бета-тестирования обновленной версии раздела Discussions. Релизный вариант площадки для обсуждений репозиториев разрабатывался почти год при активном участии сообщества.

23.08.2021    3460    VKuser24342747    0