چگونه کامپیوترها را سریعتر و دوستانه‌تر با آب و هوا سازیم؟

شرح شکل: اینترنت اشیاء می‌تواند کیفیت زندگی را بهبود بخشد، اما همچنین انرژی زیادی را مصرف می‌کند و باعث افزایش انتشار گازهای گلخانه‌ای می‌شود. (Shutterstock)
 
تلفن هوشمند شما به مراتب قدرتمندتر از رایانه‌های ناسا در سال 1969 است که نیل آرمسترانگ و بوز آلدرین را روی کره ماه قرار دادند، اما همچنین یک بلعنده انرژی است. در محاسبات، مصرف انرژی اغلب به عنوان یک مسئله ثانویه در مقایسه با سرعت و ذخیره سازی در نظر گرفته می‌شود، اما با سرعت و جهت پیشرفت فناوری، این مسئله به یک نگرانی در حال رشد محیط زیست تبدیل می‌شود.
 
هنگامی که شرکت استخراج رمز نگاری، Hut 8 ، بزرگترین پروژه استخراج بیت کوین کانادا را در خارج از Medicine Hat, Alta. ، افتتاح کرد، محیط‌بانان محیط زیست زنگ خطر را به صدا در آوردند. گرافیک سه بعدی، واقعیت مجازی و واقعیت افزوده برای کار به فرمت 64 بیتی نیاز دارند. این کارخانه، که تازه بیشتر توسط یک نیروگاه با سوخت گاز طبیعی نیرو برای تولید می‌گیرد، 10 برابر بیشتر از هر تأسیسات دیگری در این شهر، مصرف برق دارد.
 
در سطح جهان، انتشار گازهای گلخانه‌ای (GHG) از بخش های اطلاعات، ارتباطات و فناوری (ICT) پیش بینی می‌شود سالانه تا پایان سال 2020 به معادل 1.4 گیگاتون (میلیارد تن متریک) دی اکسید کربن برسد. این 2.7 درصد از گازهای گلخانه‌ای جهانی و تقریباً دو برابر کل تولید سالانه گاز گلخانه ای کاناداست.
 
با طراحی پردازنده‌های رایانه‌ایِ دارای کارآیی انرژی می‌توانیم مصرف انرژی را کاهش دهیم و می‌توانیم در جاهایی که برق از سوختهای فسیلی حاصل می‌شود، میزان انتشار گازهای گلخانه‌ای را کاهش دهیم. من و همکاران من به عنوان مهندس کامپیوتر که در معماری رایانه و محاسبات تخصص داریم، اطمینان داریم که این تأثیرات مثبت تقریباً بدون تأثیر منفی بر عملکرد رایانه یا راحتی کاربر حاصل می‌شود.
 

اتصالات قدرتمند

اینترنت اشیاء (IoT) – که متشکل از دستگاه‌های محاسباتی متصل شده به اینترنت است که در اشیاء روزمره تعبیه شده‌اند - در حال حاضر تأثیرات مثبت اقتصادی و اجتماعی دارد و جوامع، محیط زیست و زنجیره‌های تأمین مواد غذایی ما را بهتر می‌کند.
 
این دستگاه‌ها در حال کنترل و کاهش آلودگی هوا، بهبود حفاظت از آب و تغذیه دنیای گرسنه هستند. آنها همچنین خانه‌ها و مشاغل ما را کارآمدتر می‌کنند و کنترل ترموستات، روشنایی، بخاری، یخچال و ماشین لباسشویی را به دست می‌گیرند.  
شرح شکل: دستگاه‌های متصل به اینترنت به نیازهای پردازش داده و مصرف انرژی اضافه می‌کنند. (Shutterstock)
 
با رسیدن تعداد دستگاه‌های متصل به اینترنت تا سال 2018 به بالای 11 میلیارد دستگاه - سوای رایانه‌ها و تلفن‌ها – اینترنت اشیاء داده‌های بزرگی را ایجاد می‌کند که نیاز به محاسباتی عظیم دارند.
 
صرفه جویی بیشتر در محاسبه باعث صرفه جویی در مصرف انرژی و کاهش مصرف انرژی می‌شود. همچنین این امکان را می‌دهد که باتری‌هایی که قدرت سیستم‌های محاسباتی را تأمین می‌کنند کوچکتر یا طولانی عمرتر شوند. علاوه بر این، محاسبات می‌توانند سریعتر اجرا شوند، و از این رو سیستم‌های محاسباتی گرمای کمتری تولید می‌کنند.
 

محاسبات تقریبی

سیستم‌های محاسباتی امروزه برای ارائه راه حل‌های دقیق با هزینه انرژی بالا طراحی شده‌اند. اما بسیاری از الگوریتم‌های بازگشتی خطا مانند پردازش تصویر، صدا و فیلم، داده کاوی، تجزیه و تحلیل داده‌های حسگر و یاد گیری عمیق نیاز به پاسخ‌های دقیق ندارند.
 
این دقت غیر ضروری و هزینه انرژی بیش از حد بی فایده است. محدودیت‌هایی برای درک انسان وجود دارد - ما همیشه برای اطمینان از نتیجه نیاز به دقت صد در صد نداریم. به عنوان مثال، تغییرات جزئی در کیفیت تصاویر و فیلم ها غالباً مورد توجه قرار نمی‌گیرند.  
شرح شکل: برنامه‌های پردازش ویدیویی به 100 درصد دقت نیاز ندارند. (Shutterstock)
 
سیستم‌های محاسباتی می‌توانند از این محدودیت‌ها برای کاهش مصرف انرژی استفاده کنند بدون این که تأثیر منفی بر تجربه کاربر داشته باشد. "محاسبات تقریبی" یک روش محاسبه است که گاهی اوقات نتایج نادرست را بر می‌گرداند، و آن را برای برنامه‌هایی مفید می‌کند که نتیجه تقریبی کافی باشد.
 
در آزمایشگاه مهندسی کامپیوتر دانشگاه ساسکاچوان، ما پیشنهاد می‌کنیم این راه حل‌های تقریبی محاسباتی را طراحی و پیاده سازی کنیم تا آنها بتوانند به گونه‌ای بهینه دقت و کارایی را روی نرم افزار و سخت افزار سبک و سنگین و گزینش کنند. اینترنت اشیاء (IoT) – که متشکل از دستگاه‌های محاسباتی متصل شده به اینترنت است که در اشیاء روزمره تعبیه شده‌اند - در حال حاضر تأثیرات مثبت اقتصادی و اجتماعی دارد و جوامع، محیط زیست و زنجیره‌های تأمین مواد غذایی ما را بهتر می‌کند. هنگامی که ما از این راه حل‌ها را برای یک جزء محاسباتی اصلی پردازنده استفاده کردیم، متوجه شدیم که مصرف برق بیش از 50 درصد کاهش یافته است و تقریباً هیچ افت عملکردی هم ندارد.
 

دقت انعطاف پذیر

امروزه، بیشتر رایانه‌های شخصی حاوی یک قالب عددی استاندارد 64 بیتی هستند. این بدان معنی است که آنها برای انجام تمام محاسبات از عددی با 64 رقم (صفر یا یک) استفاده می‌کنند.
 
گرافیک سه بعدی، واقعیت مجازی و واقعیت افزوده برای کار به فرمت 64 بیتی نیاز دارند. اما پردازش اولیه صدا و تصویر با فرمت 32 بیتی قابل انجام است و هنوز هم نتایج رضایت بخشی را ارائه می‌دهد. علاوه بر این، برنامه‌های یاد گیری عمیق حتی می‌توانند از قالبهای 16 بیتی یا 8 بیتی به دلیل مقاومت آنها در برابر خطا استفاده کنند.  
شرح شکل: طرح های نوآورانه در سخت افزار و نرم افزار رایانه می‌تواند بهره وری انرژی را بهبود بخشد. (Shutterstock)
 
هرچه قالب عددی کوتاه‌تر باشد، انرژی کمتری برای انجام محاسبه مصرف می‌شود. ما می‌توانیم راه حل‌های قابل انعطاف و در عین حال دقیق و محاسباتی را طراحی کنیم که برنامه‌های مختلفی را با استفاده از مناسب‌ترین قالب عددی اجرا می‌کنند تا این امر باعث افزایش راندمان انرژی شود.
 
به عنوان مثال، طبق آزمایش اولیه ما، یک برنامه یادگیری عمیق با استفاده از این راه حل محاسباتی انعطاف پذیر می‌تواند مصرف انرژی را 15 درصد کاهش دهد. علاوه بر این، راه حلهای پیشنهادی را می‌توان پیکر بندی کرد تا همزمان چندین عملکرد نیازمند به دقت عددی کم و بهبود عملکرد را انجام دهند.
 
اینترنت اشیاء امید زیادی را به وجود آورده است، اما ما باید در مورد هزینه‌های پردازش همه این داده‌ها نیز فکر کنیم. با داشتن پردازنده‌های هوشمندتر و سبزتر می‌توانیم به رفع نگرانی‌های زیست محیطی کمک کرده و سهم آنها را در تغییرات آب و هوایی را آهسته کرده یا کاهش دهیم.
 
منبع: سئوکبوم کو - University of Saskatchewan