Właśnie od pytania, czy musi być aż tak źle z ciepłem odpadowym, wyszedł zespół ze Stanford University i SLAC National Accelerator Laboratory. W swojej pracy badacze nie wzięli procesora, nie zmienili sposobu jego zasilania i nie obniżyli nagle temperatury Ryzena czy układu NVIDIA o połowę. Ich eksperyment dotyczył modelowego urządzenia wykorzystującego ciekłe kryształy.
Zamiast chłodzić komputer, lepiej nie pozwolić mu się rozgrzać
Wybór tego typu sprzętu nie był przypadkowy. Pod wpływem napięcia podłużne cząsteczki ciekłego kryształu zmieniają orientację, ale nie robią tego wszystkie jednocześnie i identycznie. Powstają lokalne obszary zachowujące się nieco inaczej, a sam układ przechodzi przez przemianę Fréedericksza. Daje to badaczom kontrolowany system wielu oddziałujących ze sobą elementów, w którym można obserwować zarówno dynamikę zmian, jak i energię tracącą się podczas całego procesu.
Czytaj też: Jeden z największych problemów matematyki poległ z komputerem, ale wokół sukcesu roztacza się wielka kontrowersja
Zespół zmieniał napięcie, mierzył płynący prąd i jednocześnie podglądał obrót cząsteczek za pomocą mikroskopu polaryzacyjnego. Połączenie danych optycznych z elektrycznymi pozwoliło wyznaczyć w czasie rzeczywistym pojemność układu, a następnie bardzo dokładnie policzyć dyssypację energii. Precyzja była tak wysoka, że gdyby zamiast energii mierzono odpowiadającą jej zmianę temperatury w idealnie odizolowanym systemie, byłoby to porównywalne z wykrywaniem wzrostu o około 10 nanokelwinów.
Jest to bardzo ważny krok, bo żeby ograniczyć coś na poziomie pojedynczych operacji i przemian zachodzących w przyszłej elektronice, najpierw trzeba nauczyć się mierzyć straty tam, gdzie klasyczny termometr jest praktycznie bezużyteczny.
Ważne jest nie tylko napięcie, ale sposób jego podawania
Następnie naukowcy przestali traktować wzrost napięcia jako prostą linię. Automatyczny proces optymalizacji poszukiwał takiego przebiegu sterowania, który przeprowadzi układ między stanami przy możliwie małych stratach energii. Najlepsze rozwiązanie okazało się proste – układ można początkowo “popędzić”, następnie zwolnić zmianę napięcia w pobliżu krytycznego momentu przemiany i ponownie przyspieszyć po jego minięciu.
Czytaj też: Był i się zmył. Apple dźwignęło o 50% cenę mojego ulubionego komputera w imię AI, którego nie użyję
W pełnym eksperymencie specjaliści zastosowali zresztą automatyczne przeszukiwanie MCMC, a uzyskany przebieg ograniczył dyssypację około trzykrotnie względem prostego liniowego zwiększania napięcia. Oznacza to spadek o mniej więcej dwie trzecie.
Warto się nad tym zatrzymać, bo komputer przyszłości nie musi oszczędzać energii wyłącznie poprzez “wolniejsze działanie”. Problem może leżeć także w tym, jak dokładnie przeprowadzamy element elektroniczny z jednego stanu do drugiego. Innymi słowy, przyszłość niekoniecznie będzie polegała na brutalnym ograniczaniu mocy. Może sprowadzać się do znalezienia energetycznie lepszej drogi do wykonania tej samej operacji.
Podobną zmianę perspektywy widać już przy programowalnym sterowaniu przepływem ciepła czy próbach zastąpienia części elektrycznych połączeń w procesorach fotoniką. Jeszcze niedawno marzyliśmy głównie o coraz potężniejszych układach, ale dzisiaj coraz częściej pytamy, ile energii możemy przestać marnować, zanim w ogóle zaczniemy zastanawiać się nad jej odprowadzaniem.
60% mniej ciepła w komputerach? Jeszcze zdecydowanie nie
Tutaj właśnie kończy się najprzyjemniejsza część opowieści, a zaczyna rzeczywistość. Ciekły kryształ nie jest tranzystorem w procesorze, a trzykrotne ograniczenie dyssypacji w kontrolowanym eksperymencie nie oznacza, że za kilka lat kupimy kartę graficzną pobierającą 500 W i oddającą nagle o 300 W mniej ciepła. Badacze sami wskazują kolejny, znacznie ważniejszy etap. Chcą przenieść tę metodę na urządzenia ferroelektryczne, czyli rozwiązania zdecydowanie bliższe rzeczywistym układom pamięci i przyszłej elektronice. Dopiero tam zobaczymy, czy podobna optymalizacja zachowa swój potencjał poza eleganckim modelem laboratoryjnym.
Czytaj też: 50 atomów zaczęło liczyć. Japonia uruchomiła komputer nowej ery bez normalnego procesora
Właśnie takie eksperymenty pokazują jeden z ciekawszych kierunków komputerowej przyszłości. Pisałem już o tym przy rosnących wymaganiach energetycznych infrastruktury AI, gdzie coraz większym problemem przestają być same GPU, a zaczyna nim być cały świat konieczny do ich zasilenia i schłodzenia. Być może więc kolejną wielką rewolucją w komputerach nie będzie układ wykonujący dwa razy więcej operacji. Może będzie nim układ tai, który będzie wykonywać tę samą pracę przy znacznie mniejszym zużyciu energii, a więc również generowaniu mniejszej ilości ciepła.
Źródła: SLAC National Accelerator Laboratory, arXiv, Physical Review Letters
