Internet przedmiotów może poprawić jakość życia, ale zużyje również ogromne ilości energii elektrycznej i zwiększy emisje gazów cieplarnianych. (Shutterstock)

Twój smartfon jest znacznie potężniejszy niż komputery NASA które postawiły Neila Armstronga i Buzza Aldrina na Księżycu w 1969 roku, ale jest to także wieprz energetyczny. W informatyce zużycie energii jest często uważane za problem drugorzędny w stosunku do prędkości i magazynowania, ale wraz z tempem i kierunkiem postępu technologicznego staje się coraz większym problemem ekologicznym.

Kiedy firma wydobywająca kryptowaluty Hut 8 otworzyła największy w Kanadzie projekt wydobycia bitcoinów poza Medicine Hat, Alta., Ekolodzy zabrzmieli alarmowo. Roślina zużywa 10 razy więcej prądu, produkowany głównie przez elektrownię gazową, niż jakikolwiek inny obiekt w mieście.

Globalnie emisje gazów cieplarnianych (GHG) z sektorów informacyjnego, komunikacyjnego i technologicznego (TIK) są prognozuje się, że do 1.4 r. osiągnie równowartość 2020 gigaton (miliard ton metrycznych) dwutlenku węgla rocznie. To 2.7 procent globalnych gazów cieplarnianych i z grubsza podwaja całkowitą roczną produkcję gazów cieplarnianych w Kanadzie.

Projektując energooszczędne procesory komputerowe moglibyśmy zmniejszyć zużycie energii, a także emisje gazów cieplarnianych w miejscach, w których energia elektryczna pochodzi z paliw kopalnych. Jako inżynier informatyk specjalizujący się w architekturze komputerowej i arytmetyki, moi koledzy i ja jesteśmy przekonani, że te pozytywne efekty można osiągnąć prawie bez wpływu na wydajność komputera lub wygodę użytkownika.

Potężne połączenia

Internet przedmiotów (IoT) - złożony z połączonych urządzeń komputerowych wbudowanych w przedmioty codziennego użytku - już przynosi pozytywne skutki gospodarcze i społeczne, zmieniając nasze społeczeństwa, środowisko i łańcuchy dostaw żywności na lepsze.

Te urządzenia monitorują i zmniejszają zanieczyszczenie powietrza, poprawiają ochronę wód i karmią głodny świat. Zwiększają również wydajność naszych domów i firm, kontrolując termostaty, oświetlenie, podgrzewacze wody, lodówki i pralki.

Urządzenia podłączone do Internetu zwiększają potrzeby przetwarzania danych i zużycie energii. (Shutterstock)

Z liczbą podłączonych urządzeń ustawioną na górze 11 mld - nie licząc komputerów i telefonów - w 2018 roku IoT stworzy duże zbiory danych wymagające ogromnych obliczeń.

Zwiększenie efektywności energetycznej obliczeń pozwoliłoby zaoszczędzić pieniądze i zmniejszyć zużycie energii. Pozwoliłoby to również na mniejsze lub dłuższe działanie akumulatorów dostarczających energię w systemach komputerowych. Ponadto obliczenia mogą przebiegać szybciej, więc systemy komputerowe będą generować mniej ciepła.

Przybliżone obliczenia

Dzisiejsze systemy komputerowe są zaprojektowane tak, aby dostarczać dokładne rozwiązania przy wysokich kosztach energii. Jednak wiele odpornych na błędy algorytmów, takich jak przetwarzanie obrazu, dźwięku i wideo, eksploracja danych, analiza danych z czujników i głębokie uczenie się, nie wymaga dokładnych odpowiedzi.

Ta niepotrzebna dokładność i nadmierne wydatki na energię są marnotrawstwem. Istnieją ograniczenia w postrzeganiu człowieka - nie zawsze potrzebujemy 100% dokładności, aby zadowolić się wynikiem. Na przykład drobne zmiany w jakości zdjęć i filmów często pozostają niezauważone.

Aplikacje do przetwarzania wideo nie wymagają 100-procentowej dokładności. (Shutterstock)

Systemy komputerowe mogą wykorzystać te ograniczenia, aby zmniejszyć zużycie energii bez negatywnego wpływu na wrażenia użytkownika. „Obliczenia przybliżone” to technika obliczeniowa, która czasami zwraca niedokładne wyniki, dzięki czemu jest przydatna w aplikacjach, w których przybliżony wynik jest wystarczający.

W laboratorium inżynierii komputerowej na Uniwersytecie Saskatchewan proponujemy zaprojektować i wdrożyć te przybliżone rozwiązania komputerowe, aby mogły one optymalnie kompromisować dokładność i wydajność oprogramowania i sprzętu. Kiedy zastosowaliśmy te rozwiązania do podstawowego komponentu obliczeniowego procesora, stwierdziliśmy, że zużycie energii spadło ponad 50 procent prawie bez spadku wydajności.

Elastyczna precyzja

Obecnie większość komputerów osobistych ma 64-bitowy standardowy format numeryczny. Oznacza to, że używają liczby z 64 cyframi (zero lub jeden) do wykonania wszystkich obliczeń.

Grafika 3D, rzeczywistość wirtualna i rzeczywistość rozszerzona wymagają do działania formatu 64-bitowego. Ale podstawowe przetwarzanie dźwięku i obrazu można wykonać w formacie 32-bitowym i nadal zapewnia satysfakcjonujące rezultaty. Co więcej, aplikacje głębokiego uczenia mogą nawet korzystać Formaty 16-bitowe lub 8-bitowe ze względu na ich odporność na błędy

Innowacyjne projekty sprzętu i oprogramowania komputerowego mogą poprawić efektywność energetyczną. (Shutterstock)

Im krótszy format numeryczny, tym mniej energii wykorzystuje się do wykonania obliczeń. Możemy projektować elastyczne, a jednocześnie precyzyjne rozwiązania komputerowe, które działają w różnych aplikacjach przy użyciu najbardziej odpowiedniego formatu numerycznego, aby promować efektywność energetyczną.

Na przykład aplikacja do głębokiego uczenia się wykorzystująca to elastyczne rozwiązanie komputerowe może zmniejszyć zużycie energii o 15 procent, zgodnie z naszym wstępnym eksperymentem. Ponadto proponowane rozwiązania można ponownie skonfigurować w celu jednoczesnego wykonywania wielu operacji wymagających niskiej precyzji numerycznej i poprawy wydajności.

Internet rzeczy jest bardzo obiecujący, ale musimy również pomyśleć o kosztach przetwarzania wszystkich tych danych. Dzięki inteligentniejszym, bardziej ekologicznym procesorom możemy pomóc w rozwiązywaniu problemów związanych ze środowiskiem i spowolnić lub zmniejszyć ich wkład w zmianę klimatu.

O autorze

Seokbum Ko, profesor, University of Saskatchewan

Artykuł został opublikowany ponownie Konwersacje na licencji Creative Commons. Przeczytać oryginalny artykuł.