Većina vlasnika laptopa složit će se da ovi kompleksni elektronički uređaji mogu sasvim dobro poslužiti i još jednoj (ne tako kompliciranoj) svrsi – grijanju donjih ekstremiteta. I dok to može biti svojevrsna prednost ako svakodnevno radite u hladnome uredu, u konačnici grijanje elektroničkih uređaja nikako ne možemo smatrati pozitivnim nusproizvodom njihova korištenja. Dapače, upravo je problem pregrijavanja jedan od najvećih ograničavajućih faktora pri izgradnji još boljih i moćnijih računala, piše Scientific American.
Svako stolno računalo treba neku vrstu ventilatora za hlađenje. Podatkovni centar velik poput onoga kojega koriste u Googleu treba kontinuiran protok velikih količina hladne vode, a za moderna superračunala prava je umjetnost spriječiti ih da se ne rastope nekoliko trenutaka nakon pokretanja. Superbrzo računalo u Leibniz Supercomputing centru u Münchenu, primjerice, sposoban je procesuirati 3×10.000.000.000.000.000 operacija u jednoj sekundi, a toplina koju isijava za to vrijeme koristi se za zagrijavanje određenih dijelova zgrade u kojoj se uređaj nalazi.
Trenutni trendovi u informatici sugeriraju da bi sljedeći veliki korak trebao biti eksaflopno superračunalo koje bi za uspješan rad koristilo stotine megavata struje i gotovo svu energiju koju primi pretvaralo u toplinu.
Danas se smatra kako su upravo „toplinski udari“ najveća zapreka pri stvaranju još bržih komercijalnih računala, a čitavi problem je zapravo prilično jednostavan: što su sastavnice od kojih je računalo sastavljeno manje i zgusnutije raspoređene to će se uređaj brže zagrijavati. „Toplinski tok kojega proizvode današnji mikroprocesori približno je usporediv s onim na površini Sunca. No, za razliku od Sunca, moderni uređaji moraju se ohladiti na temperaturu manju od 100 stupnjeva Celzijevih kako bi ispravno funkcionirali“, kaže Suresh Garimella, stručnjak za računala sa Sveučilišta Purdue u Indiani.
Kako bi ostvarili ovaj osnovni preduvjet, inženjeri konstantno rade na pronalasku novih i efikasnijih načina hlađenja. Primjerice, jedna od inovacija bila je direktno ubrizgavanje tekućih hladila u računalne čipove, za razliku od dosadašnje sveprisutne prakse hlađenja čipova uz pomoć hladnoga zraka koji oko njih cirkulira. Nešto radikalniji inženjeri traže i nešto radikalnija rješenja. Tako neki od njih pokušavaju riješiti problem zagrijavanja redizajnom samih sastavnica računala. Do sada su svi elementi na matičnoj ploči raspoređivani po unaprijed određenoj 2D shemi koja nije pružala mnogo manevarskih mogućnosti za tekuće ili zračno hlađenje. Umjesto toga, stručnjaci danas rade na trodimenzionalnim shemama inspiriranim „arhitekturom“ mozga. U eksperimentalnoj fazi inženjeri su uz pomoć ovako dizajniranih računala uspjeti procesuirati znatan broj informacija bez ikakvoga oblika hlađenja. Osim ovoga, moguće je da buduća superračunala uopće neće biti „pogonjena“ električnom strujom i metalnim žicama, već će energiju dobivati elektrokemijskim putem (preko iona), čime bi problem zagrijavanja praktički bio eliminiran.
Znanstvenici koji rade na „hladnim“ računalima definitivno se ne bave najglamuroznijim ili najeksponiranijim poslom. Dapače, čini se da danas svu slavu prikupljaju oni inženjeri i tvrtke koji se bave konstrukcijom elektroničkih uređaja bržih ili manjih od svojih prethodnika. No, tvrtke bi se uskoro mogle naći pred zidom budući da izgradnja manjih i bržih uređaja jednostavno neće biti moguća ukoliko oni neeksponirani inženjeri ne doskoče problemu zagrijavanja naših skupocjenih igrački.
Problem zagrijavanja star je koliko i sama računala. Prvo moderno elektronsko računalo, 30-tonsko čudovište zvano ENIAC izgrađeno na Sveučilištu u Pennsylvaniji pred sam kraj Drugoga svjetskog rata, koristilo je 18 tisuća cjevčica ispunjenih vakuumom koje je hladilo nepregledno mnoštvo ventilatora. U šezdesetim godinama prva računala temeljena na silikonu donekle su ublažila problem pregrijavanja, no on je postao ponovno aktualan s trendom izrade sve manjih i kompaktnijih računala. U devedesetim godinama prošloga stoljeća prebacivanje s tehnologije „bipolarnih“ tranzistora na poluvodiče metalnih oksida (CMOS) predstavljalo je sljedeći veliki iskorak pri izradi „hladnih“ elektroničkih uređaja zbog toga što su računala temeljena na ovim poluvodičima puno racionalnije iskorištavala energiju iz utičnica. No, ako je vjerovati Mooreovom zakonu, moderni procesori udvostručavaju svoju „brzinu“ otprilike svakih 18 mjeseci i ovakav eksponencijalan rast snage računala opet je u središte interesa stavio nikad aktualniji problem prevelikoga zagrijavanja elektronskih uređaja. Neki od modernih mikroprocesora isijavaju gotovo nevjerojatne količine toplinske energije. Primjerice, kada bi tipičnom stolnom računalu dozvolili da njegov(i) procesor(i) isijavaju toplinu u vakuumom ispunjenu prostoriju, temperatura takve sobe uskoro bi se podigla na nekoliko tisuća stupnjeva Celzijevih.
Upravo zbog ovoga stolna računala (i laptopi) imaju ventilatore. Zrak koji struji unutrašnjosti uređaja zagrijava se i „iznosi“ određenu količinu topline izvan samoga uređaja. U najvećemu broju slučajeva ventilatori uređaj ne mogu održavati potpuno hladnim te cirkuliraju dovoljno zraka tek da bi održavali temperaturu računala na podnošljivih 75 stupnjeva Celzijevih.
Loša vijest je – i ventilatori zahtijevaju energiju za pokretanje. Za vlasnike laptopa ova vijest je tim gora jer ujedno znači i da će se baterija na njihovome uređaju mnogo brže trošiti. No, ponekad sami ventilatori nisu dovoljni da bi se uređaj održavao (dovoljno) hladnim. Kako bi doskočili ovome problemu, proizvođači su počeli koristiti posebne tekućine koje hlade zračnu struju koju proizvodi ventilator i na taj način omogućavaju zraku da brže i efikasnije ohlade zahuktani uređaj.
Ovo vrijedi za laptope i stolna računala, ali ne i za neke veće uređaje kojima su potrebne nešto drastičnije mjere da bi ih se održalo hladnima. „Moderno superračunalo bi trebalo nekoliko kubičnih kilometara zraka dnevno da bi funkcioniralo na optimalnoj temperaturi“, kaže Bruno Michel, voditelj Odjela za napredna toplinska rješenja pri IBM-u u švicarskom gradu Ruschlikonu. Jasno, ovo definitivno nije praktično rješenje i upravo zbog toga inženjeri rade na unaprjeđivanju tekućih hladila elektronskih uređaja.
Računala koja se hlade vodom komercijalno su dostupna još od 1964. godine, a tehnologija se repopularizirala osamdesetih i devedesetih kad je izbačeno nekoliko serija računala također hlađenih vodom. Danas, međutim, postoje ne-vodena i ne-reaktivna tekuća hladila poput fluorugljika koja dolaze u izravan kontakt s računalnim čipovima. Obično se radi o tome da se ove supstance koriste za hlađenje preko isparavanja – one prime toplinu od procesora, zagriju se do točke isparavanja i jednostavno nestanu.
SuperMUC, IBM-ovo superračunalo koje se nalazi u Centru Leibniz predstavljeno je 2012. godine. Tri-petaflopni uređaj trenutno je jedno od najmoćnijih računala na svijetu. Ono je također hlađeno vodom, no u ovome slučaju radi se o vodi zagrijanoj na otprilike 45 stupnjeva Celzijevih. Nakon zagrijavanja voda prolazi mikrokanalima do bakrene „posude“ koja se nalazi neposredno iznad centralne procesorske jedinice. Ovakav sustav osigurava da voda bude koncentrirana upravo na mjestima koja se najviše zagrijavaju. Korištenje zagrijane vode za hlađenje bilo čega na prvi pogled može se doimati neobičnim, no znanstvenici kažu da ovaj način hlađenja zapravo troši manje energije od drugih metoda, budući da vruću vodu koja „prikupi“ toplinu od procesora treba hladiti na manju temperaturu prije nego što se ponovno ubrizga u uređaj i ohladi užarene dijelove. Uza sve navedeno, vrela voda iz bakrene posude poviše procesora koristi se za grijanje obližnjih zgrada, čime energetske uštede na hlađenju SuperMUC-a postaju još i veće.
Michel i njegovi kolege iz IBM-a vjeruju da bi se voda u budućnosti mogla koristiti ne samo za „izvlačenje“ topline iz uređaja već i za napajanje njegovih sklopova. Ovo će činiti uz pomoć posebne tehnike koja uključuje prijenos iona u posebno dizajnirane elektrode (napravljene tako da maksimalno iskorištavaju energiju), u kojima ovi određenim elektrokemijskim reakcijama proizvode količinu energije dovoljnu za pokretanje čitavoga računala. Na ovaj način samo hlađenje postaje izvor napajanja. Iako je ova ideja uistinu revolucionarna, ona zapravo i nije baš nova, ili barem tako tvrdi Yogendra Joshi, inženjer na Tehnološkom institutu u Atlanti. „Ova ideja zapravo se koristi već dulji niz godina pri rješavanju problema zagrijavanja elektroničkih uređaja u zrakoplovima“,kaže on.
Proizvodnja struje uz pomoć elektrolita u budućnosti će biti sve učestalija pojava u svijetu tehnologije. U jednom tipu gorive ćelije nazvanoj baterija redoks protoka dvije elektrolitske otopine ubrizgavaju se u jednu elektrokemijsku ćeliju gdje su odvojene tankom polupropusnom membranom koja sprječava dodir otopina, ali dozvoljava neometani protok iona. Elektroni zatim „putuju“ između iona u otopinama u procesu zvanom ‘redoks (redukcija-oksidacija) reakcija’. Trik je u tome da se čitav ovaj proces preusmjerava u eksterni strujni krug te se na taj način stvara energija koja se može pretvoriti u struju za napajanje elektronskih uređaja.
Slana logika
Ćelije za iskorištavanje energije dobivene redoks reakcijama mogu biti minijaturizirane uz pomoć tehnologije mikrofluida kojom se tokovi tekućina ograničavaju na mikroskopske kanale izdubljene u pogodnim materijalima, poput silikona. Na mikrorazini tekućine mogu „prolaziti“ jedna kroz drugu bez miješanja, tako da nema potrebe za instalacijom membrane koja bi ih fizički odvajala. Uz ovu prilagodbu čitav proces proizvodnje uređaja koji se hlade i napajaju iz istoga izvora postaje mnogo jednostavnija i jeftinija. Također, takvi uređaji su u potpunosti kompatibilni s postojećom tehnologijom izrade silikonskih čipova.
Michel i njegovi kolege počeli su s razvojem mikrofluidnih ćelija za pogonjenje mikroprocesora. Ove ćelije bazirane su na redoks procesu u kojemu koriste ione vanadiuma. Elektrolit se u ovome procesu ubrizgava u mikrokanale (široke između 100 i 200 mikrocentimetara) nalik onima koji se koriste za prijenos tekućih hladila do zagrijanih računalnih čipova. Energija koja nastaje redoks procesom prikuplja se u elektrodama koje su raspoređene duž malenih kanala. Nakon toga ona se distribuira svakome konkretnom uređaju „regularnim“ putem – preko metalnih žica. Istraživači su preliminarne rezultate ove nove metode napajanja prezentirali u kolovozu ove godine na godišnjemu okupljanju Međunarodnoga društva elektrokemičara u Pragu.
No, kao što to obično biva s prototipovima, Michel i suradnici su trenutno relativno daleko od komercijalne upotrebe tehnologije koju razvijaju. Trenutno, energija koja se dobije redoks reakcijama manja je od jednoga vata po četvornome centimetru pri jednome voltu; radi se o dva ili tri puta manjoj energiji od one koja je potrebna da bi funkcionirali današnji mikroprocesori. No, treba naglasiti kako je Michel uvjeren da će buduće generacije procesora biti mnogo energetski štedljivije te će im za funkcioniranje biti potrebna mnogo manja količina energije. Također, napajanjem uz pomoć napajanja preko elektrokemijskih ćelija znanstvenici bi u najgoremu slučaju mogli prepoloviti gubitke energije, što je jedan od najučestalijih problema s „dostavom“ energije preko metalnih žica koje zbog zagrijavanja gube i do 50% energije koju prenose do krajnjega „korisnika“.
„Pametnija“ računala
Napajanje elektrokemijskim reakcijama može pripomoći pri reduciranju nepotrebnoga rasipanja dragocjene energije, no postoji još jedan način na koji može učiniti još veću razliku za vlasnike računala u budućnosti. Većina topline u računalima stvara se zbog otpora u žicama koje sprovode signale između pojedinih dijelova uređaja. „Rasipanje energije u žicama koje prenose signale danas je i do deset puta veće nego rasipanje energije uzrokovano paljenjem/gašenjem tranzistora u računalima. Budući da gotovo sve sastavnice u računalima moraju biti „budne“ dok čekaju primitak određene informacije, gubitci energije povezani s transportom informacija danas čine do 99% svih gubitaka energije u računalima“, kaže Michel.
Zbog ovoga se moderni proizvođači elektroničkih uređaja „nastoje odmaknuti od tradicionalnih načina izrade račualnog hardvera u kojemu upravo gubitci energije tijekom transfera informacija s točke A na točku B dramatično umanjuju njihovu snagu i efikasnost“, objašnjava Garimella. Rješenje ovog problema, barem u teoriji, prilično je jednostavno – potrebno je smanjiti udaljenost koju električni impulsi koji prenose informacije moraju „prevaliti“ da bi računalo moglo izvršiti neku logičku operaciju. Tranzistori koji odašilju informacije danas su već toliko gusto „upakirani“ u 2D čipove da je praktički nemoguće „zbiti“ ih na još manje prostora. No, kada bi tranzistore rasporedili u trodimenzionalne čipove, gubitci energije povezani s transportom podataka mogli bi se dramatično umanjiti. Također, na ovaj bi se način sam transport podataka mogao višestruko ubrzati. Matematika je ovdje prilično jednostavna, „ako deseterostruko umanjite prostor na kojemu su raspoređeni tranzistori, deset puta ste umanjili i količinu žica potrebnih za transport informacija. Posljedično, uštedjeli ste i deset puta više energije, a uza sve to informacije unutar čipova do odredišta stižu deset puta brže“, kaže Michel koji predviđa da će superračunala budućnosti biti „ne veća od kocke šećera“.
Kako će, dakle, izgledati trodimenzionalni čipovi u modernim računalima? Za sada to nitko ne može pouzdano predvidjeti, no Michel ima ideju: „Moramo se ugledati na postojeću arhitekturu koja maksimizira efikasnost protoka informacija. Vjerojatno najbolji primjer takvog dizajna je ljudski mozak.“ Ljudski mozak odrađuje mnoštvo veoma kompliciranih zadataka. U prosjeku, moždano tkivo „troši“ deset puta više energije za rad od bilo kojega drugog tkiva u našim tijelima. Potrebe za energijom prosječnoga mozga veće su od energetskih „prohtjeva“ kvadricepsa olimpijskih trkača. Na mozak otpada tek 2% ljudske mase, a u isto vrijeme ovaj organ troši 20% energije koju naša tijela stvaraju.
Usprkos velikim energetskim potrebama, mozak je zapravo nevjerojatno učinkovit i štedljiv u usporedbi s elektroničkim uređajima. On može „procesuirati“ šest do sedam puta više informacija po utrošenome džulu energije od najmoćnijih računala na svijetu. Michel je uvjeren da se tajna efikasnosti našega najvažnijeg organa krije u njegovome dizajnu – radi se o trodimenzionalnoj, hijerarhijski uređenoj mreži višestruko povezanih centara.
Gradimo pametno
Specifična „arhitektura“ omogućava mozgu mnogo racionalnije korištenje prostora kojega ima na raspolaganju. Kod računala, i do 96% njegovoga prostora koristi se za transport topline, 1% se koristi za transport informacija, a samo jedan milijunti dio ukupne površine otpada na tranzistore i druge „logičke“ sastavnice. S druge strane, mozak samo 10% svojega ukupnog volumena koristi za transport energije, 70% za komunikaciju i 20% za logičke procese. Uza sve navedeno, moduli za memoriju i procesuiranje informacija u mozgu smješteni su tik jedan do drugoga, tako da se čak i oni podatci koje smo naučili prije mnogo vremena praktički istoga trenutka mogu „prizvati“ u njegovu radnu memoriju. Kod računala stvar je sasvim drugačija; dva su spomenuta „centra“ najčešće dosta udaljena jedan od drugoga, čime čitav uređaj gubi na brzini procesuiranja informacija, a na ovaj način gubi i značajno više energije u dugačkome transportu informacija iz jednoga centra u drugi.
„Računala će i dalje postizati loše rezultate pri prizivanju informacija u radnu memoriju sve dok ih ne počnemo graditi tako da budu memorijski centralizirana“, kaže Michel. Za njega, ključ za razvoj ovakvih računala upravo je trodimenzionalna struktura koja bi omogućila da se centri za memoriju i procesuiranje smjeste u neposrednoj blizini jedan drugome.
Za Michela, ovo znači da arhitektura modernih računala mora biti preuzeta iz najsofisticiranijega superračunala kojega imamo na raspolaganju – našega mozga. Prema njegovoj procjeni, trodimenzionalni hardver mogao bi buduća računala učiniti i do tisuću puta manjima te do sto puta energetski učinkovitijima od ovih postojećih. Kada se ovome doda mogućnost izrade bioničkih mikročipova koji će uistinu vjerno simulirati strukturu mozga, Michel drži da bi se energetske potrebe računala mogle dodatno smanjiti još 30 puta. Također, uređaji za hlađenje u budućnosti bi mogli biti neusporedivo manji od dosadašnjih – 1-petaflopna računala, koja su danas toliko velika da ih se može smjestiti tek u omanja skladišta, mogli bi se smanjiti na ukupni volumen ne veći od 10 litara.
Ako proizvođači računala nastave težiti gotovo nestvarnoj ideji izrade zetaflopnoga računala, dizajn temeljen na strukturi mozga vjerojatno će biti ne samo poželjan već i nužan preduvjet ostvarenja ovoga cilja. Uz danas dostupnu tehnologiju, zetaflopni uređaj bio bi nešto veći od Mount Everesta, a njegove energetske potrebe premašivale bi one čitavoga čovječanstva. Samo uz „mozgovski“ dizajn ideja zetaflopnoga uređaja čini se barem djelomično ostvariva. Michel i njegovi suradnici vjeruju da bi, uz ovakve inovacije, računala mogla doseći ideal efikasnosti kakav trenutno ima mozak (naravno, ovo ne znači da će biti jednako brza i funkcionalna pri procesuiranju informacija kao naš najvažniji organ) do 2060. godine.
Izvor: ScientificAmerican
