К 2040 году компьютеры будут потреблять больше электричества чем человечество способно произвести
Обновлено: 07.07.2024
Опасения о том, что количество потребляемой компьютерами электроэнергии превысит количество ее выработки во всем мире, были опубликованы еще в конце прошлого года. Но заговорили о них только сейчас, после того как был выпущен итоговый план по развитию полупроводниковой технологии.
Кремниевая пластина, используемая для производства микросхем. Фото: IBM
Компьютерные микросхемы становятся все более мощными из-за увеличения количества транзисторов. В будущем для стабильной работы им потребуется еще больше электроэнергии (если не улучшится их КПД).
«Производство следует Закону Мура — в результате чего в микросхемах используются транзисторы меньшего размера, но с большей удельной мощностью и соответствующими проблемами терморегулирования, — гласит отчет SIA. — Чем больше в микросхеме транзисторов, тем больше в ней соединительных связей — в передовых микропроцессорах длина таких соединений может составлять несколько километров. Но когда соединения сжимаются, они становятся менее эффективными».
SIA подсчитала, что если производство микросхем продолжит идти нынешним путем, то «к 2040 году вычислительная обработка данных станет невозможна, потому что количество энергии, необходимой для ее совершения, будет превышать весь объем производимой в мире энергии».
В наше время производители микросхем компонуют мельчайшие транзисторы в трехмерном пространстве, чтобы улучшить производительность. Но SIA считает, что такие методы не могут действовать вечно — плотные микросхемы будут терять еще больше энергии.
«Если мы хотим предотвратить стремительный рост объемов потребления энергии, нам нужна новая технология и архитектура. Причем они должны быть в несколько раз более энергоэффективными, чем современные передовые технологии полупроводников», — утверждает SIA.
Вот какую задачу должны решить компьютерные инженеры и ученые. При этом они должны учитывать, что, согласно новому плану SIA, после 2020 года традиционные методы улучшения производительности микросхем (например, уменьшение размера транзисторов) будут нецелесообразными с точки зрения экономики.
Чтобы улучшить эффективность вычислений, придется использовать другие методы, помимо увеличения количества транзисторов — и тогда нам, возможно, удастся сохранить хотя бы основные принципы Закона Мура на протяжении еще нескольких десятилетий.
Ученые продемонстрировали обратную сторону закона Мура: если в ближайшее время не будет сделано радикальных улучшений по снижению потребления энергии компьютерами, к 2040 году мы не сможем обеспечить их электричеством.
В докладе экспертов Ассоциации полупроводниковой промышленности (Semiconductor Industry Association, SIA) отмечается: «Способность индустрии развиваться в соответствии с законом Мура привела не только к уменьшению размеров транзисторов, но и к большей энергетической плотности микрочипов, и связанных с этим проблем с температурой». В самом деле, самые мощные современные микропроцессоры, несмотря на свои небольшие размеры, содержат огромное количество контактов, общая протяженность которых может достигать километров. И все это моментально перегреется, стоит лишь забыть про охлаждение.
Все это приводит к непрерывно возрастающим потребностям в электричестве. Крупные современные дата-центры зачастую нуждаются в таком количестве энергии, которое вырабатывает отдельная электростанция. И эти запросы растут куда быстрее, чем увеличивается мировое производство энергии. Авторы доклада предполагают, что между 2035 и 2040 гг. процесс может привести к коллапсу, когда нужды электроники превысят возможности человека питать ее.
По словам экспертов SIA, инженеры и схемотехники то и дело находят решения, позволяющие создавать все более производительные микросхемы. И пока энергоэффективность остается на вторых ролях, она растет в соответствии с тем же законом Мура. «Будущие технологии и архитектуры должны стать на несколько порядков более энергоэффективны, – говорится в докладе, – если мы хотим увести потребление электричества с ее нынешней, взрывной кривой роста».
Возможно, к поискам в этом направлении разработчиков подтолкнет сама жизнь. Авторы доклада предсказывают, что уже в 2020-х увеличивать производительность процессоров традиционным путем – уменьшением размера транзисторов и все более плотным их размещением на чипе – станет экономически невыгодно.
Энергопотребление таких микросхем будет так велико, что пользователям выгоднее будет обратиться к набору из нескольких процессоров не столь сложных и «прожорливых». Схемотехникам придется искать совершенно новые подходы, если только они хотят сохранить свои знаменитые темпы развития электроники – и верность закону Мура.
Учёные предсказали, что, несмотря на все успехи человечества в проектировании компьютеров, к 2040 году компьютерным чипам потребуется больше электричества, чем смогут произвести все электростанции мира.
Этот прогноз означает, что наша возможность придерживаться закона Мура, по которому количество транзисторов на кристалле интегральной схемы удваивается каждые два года, буквально ускользает из рук.
Впервые это предположение было сделано в докладе Ассоциации производителей полупроводников (Semiconductor Industry Association – SIA), вышедшем в прошлом году, но известно о нём стало относительно недавно благодаря подготовленной Ассоциацией финальной версии оценки перспектив полупроводниковой индустрии.
Основная идея в том, что компьютерные чипы становятся более производительными благодаря большему количеству транзисторов, которым, в свою очередь, нужно всё больше энергии (несмотря на все усилия по повышению их эффективности). Производители полупроводников уверены в своей способности ограничить энергопотребление чипов благодаря умным инженерным решениям, однако, по мнению экспертов SIA, существующих на сегодняшний день технологий для этого явно недостаточно.
«До сих пор индустрии удавалось следовать закону Мура благодаря уменьшению транзисторов и увеличению их числа», – говорится в докладе, – но это же привело к их большей энергоёмкости и проблемам с охлаждением. Чем больше транзисторов на чипе, тем больше нужно соединений. Протяжённость таких соединений в самых передовых процессорах может достигать нескольких километров. Однако всё большее сжатие соединений сказывается на их эффективности».
По подсчётам экспертов SIA, в долгосрочной перспективе, а точнее, уже к 2040 году, если подходы к проектированию чипов не изменятся, компьютеры будут потреблять больше энергии, чем сможет произвести мировая энергосистема.
Суть проблемы отображена на графике внизу, демонстрирующем энергопотребление современных вычислительных устройств. Оранжевая «прогнозная» линия показывает, что энергетические потребности компьютеров превысят возможности энергетики где-то между 2035 и 2040 годами.
В наши дни, инженеры, чтобы повысить производительность и уложиться в закон Мура, нагромождают крошечные транзисторы сразу в трех измерениях. Но в SIA убеждены, что это не может продолжаться вечно, учитывая сколько энергии теряется с каждым таким нагромождением.
«Традиционные подходы к проектированию уперлись в законы физики. Снижение энергоемкости вычислительных процессов требует масштабных исследований по улучшению свойств материалов и компьютерной архитектуры в целом. При этом новые материалы и архитектура должны быть на несколько порядков эффективнее нынешних. Только в таком случае удастся предотвратить взрывной рост энергопотребления», – говорится в докладе SIA.
Более того, эксперты утверждают, что уже после 2020 года совершенствовать свойства чипов сегодняшними методами – за счет все большего уплотнения транзисторов, – станет экономически невыгодно, и это еще одна серьезная задача для инженеров и ученых. Масштабы проблемы велики, и вполне вероятно, что следующий скачек в эффективности компьютеров может быть связан со сферой, не имеющей прямого отношения к производству транзисторов. В таком случае закон Мура, по крайней мере в общих чертах, продолжит действовать в ближайшие десятилетия.
«Эта стена начала разрушаться в 2005 году. С тех пор у нас стало появляться все больше транзисторов, но их качество не слишком-то улучшалось, – говорит компьютерный инженер Томас Конте из Технологического Института Джорджии, – Речь не о том, что закону Мура приходит конец. Просто нужно сделать шаг назад и задуматься: а что действительно важно для нас? А важны для нас скорость и качество компьютерных вычислений».
Если в ближайшее время не будет сделано радикальных улучшений по снижению потребления энергии компьютерами, к 2040 году мы не сможем обеспечить их электричеством.
Luke Chesser / Unsplash
В докладе экспертов Ассоциации полупроводниковой промышленности (Semiconductor Industry Association, SIA) отмечается: «Способность индустрии развиваться в соответствии с законом Мура привела не только к уменьшению размеров транзисторов, но и к большей энергетической плотности микрочипов, и связанных с этим проблем с температурой».
Мощные современные микропроцессоры, несмотря на свои небольшие размеры, содержат огромное количество контактов, общая протяженность которых может достигать километров. И все это моментально перегреется, стоит лишь забыть про охлаждение.
Все это приводит к непрерывно возрастающим потребностям в электричестве. Крупные современные дата-центры зачастую нуждаются в таком количестве энергии, которое вырабатывает отдельная электростанция. И эти запросы растут куда быстрее, чем увеличивается мировое производство энергии. Авторы доклада предполагают, что между 2035 и 2040 гг. процесс может привести к коллапсу, когда нужды электроники превысят возможности человека питать ее.
По словам экспертов SIA, инженеры и схемотехники то и дело находят решения, позволяющие создавать все более производительные микросхемы. И пока энергоэффективность остается на вторых ролях, она растет в соответствии с тем же законом Мура. «Будущие технологии и архитектуры должны стать на несколько порядков более энергоэффективны, – говорится в докладе, – если мы хотим увести потребление электричества с ее нынешней, взрывной кривой роста».
Возможно, к поискам в этом направлении разработчиков подтолкнет сама жизнь. Авторы доклада предсказывают, что уже в 2020-х увеличивать производительность процессоров традиционным путем – уменьшением размера транзисторов и все более плотным их размещением на чипе – станет экономически невыгодно, сообщает издание Naked Science.
Читайте также: