افزایش اثرات زیست محیطی محاسبات

زیرساخت های محاسباتی مدرن سهم فزاینده ای از برق جهانی را مصرف می کند. مراکز داده به تنهایی حدود 1 تا 2 درصد از استفاده برق در سراسر جهان را تشکیل می دهند و این رقم همچنان با گسترش خدمات ابر، هوش مصنوعی و محاسبات لبه افزایش می یابد، صنعت نیمه هادی بخش قابل توجهی از کربن تجسم شده در الکترونیک، از استخراج مواد خام از طریق ساخت تا پایان عمر، مواد محاسباتی و انرژی تقریبا ضروری است که یک منبع اصلی از آن را کاهش می دهد.

اصول کلیدی طراحی Microprocessor پایدار

معماری های انرژی محور

فوری ترین راه برای کاهش ردپای زیست محیطی میکروپرست برای به حداقل رساندن مصرف انرژی خود بدون قربانی عملکرد است. ولتاژ پویا و مقیاس فرکانس (DVFS) یک تکنیک اصلی بوده است، اجازه می دهد تا پردازنده ها برای تنظیم ولتاژ عملیاتی و سرعت ساعت خود را بر اساس نیازهای کار در زمان واقعی تنظیم کنند. تراشه های مدرن این اصل را با DVFS، مدیریت برق هسته ای را قادر می سازد تا محاسبات انرژی های ترکیبی مانند عملکرد بالا، و کارآمد پردازنده ها را مدیریت کنند.

فراتر از مقیاس هسته ای، پیری ساعت پیشرفته، قدرت و سوگیری بدن سازگار با کاهش جریان نشت - منبع عمده زباله در گره های زیر 10nm. مجموعه آموزش نیز نقش مهمی ایفا می کند؛ طبیعت مدولار RISC-V اجازه می دهد تا طراحان دستورالعمل های غیر ضروری را دور بزنند، کاهش فعالیت همراه با سلسله مراتب حافظه کارآمد و شتاب دهنده تراشه (به عنوان مثال تکنیک های انتقال انرژی معمولی برای کل سیستم).

مواد پایدار و تولید

ساخت سنتی سیلیکون مبتنی بر فرایندهای دمای بالا، مواد شیمیایی سمی (به عنوان مثال، هر فلوروکربن، آرسنیک، آرسنیک و گالیم) و بسترهایی که برای بازیافت تحقیقات در مواد نیمه هادی جایگزین دشوار است - مانند نیتید گالوید گالیم (GaN) در سیلیکون، سیلیکون (SiC) و حتی وعده های آلی آلی - تولید و کاهش غلظت های کوتاه مدت یا عدم استفاده از اسید هیدروکتیک یا عدم استفاده از اسید های هیدروژتیک در حال حاضر.

استفاده از آب در مدفوع یکی دیگر از نگرانی های مبرم است.یک آب تک 300mm می تواند هزاران گالن آب فوق خالص را به سیستم های بازیافت حلقه بسته، جایگزین های خشک و جوش، و استفاده از آب بازسازی شده در حال تبدیل شدن به استاندارد در مخازن پیشرو علاوه بر آن، حذف مواد معدنی تعارض (به عنوان مثال، بی طرف، tantalum، قلع، طلایی تنگستن) از طریق زنجیره های تایید شده و جایگزین انرژی کربن سرب، و کاهش می باشد.

بررسی چرخه زندگی: طراحی برای طولانی مدت و قابلیت پذیری

تاثیر زیست محیطی میکروپر بسیار فراتر از انرژی عملیاتی آن است.تولید یک تراشه 1/1 سانتی متر مربع می تواند معادل چندین کیلوگرم CO2 را منتشر کند.اگر این تراشه تنها برای دو یا سه سال قبل از دور شدن استفاده می شود، کربن تجسم شده در طول یک دوره کوتاه، ایجاد کل در سال طراحی بالا برای خدمات طولانی تر زندگی - از طریق کاهش فرکانس های ماژولار و اصلاح نرم افزار قوی.

قابلیت بازیافت در مرحله طراحی شروع می شود. Chips که از عناصر کمیاب کمتری استفاده می کنند، از ترکیبات سفالگری که مانع از جداسازی می شوند، جلوگیری می کنند و بسته های استاندارد شده (به عنوان مثال، LGA در مقابل BGA) برای بازیابی بهره وری نقره ای آسان تر هستند.

نوآوری های رانندگی Eco-Friendly Computing

نزدیک به Threshold و Subthreshold Computing

ترانزیستورهای عملیاتی در نزدیکی ولتاژ آستانه خود - به طور معمول 0.3 -0.5 V - به شدت قدرت دینامیکی را کاهش می دهد زیرا با مربع ولتاژ مقیاس می کند. محاسبات نزدیک به لبه (NTC) می تواند انرژی را با استفاده از عملیات 5 تا 10× در مقایسه با عملیات فوق العاده، اگر چه با هزینه کاهش فرکانس، محققان NTC برای سنسور و دستگاه های خطای IoT نشان داده اند که در آن، قابلیت پردازش ولتاژ پایین را دارند، حتی شامل موارد قابل قبول است.

Neuromorphic و Quantum Computing

تراشه هایNeuromorphic ساختار و عملکرد شبکه های عصبی بیولوژیکی را تقلید می کنند، با استفاده از نورون های متخلخل و سیناپس های پلاستیکی برای انجام محاسبات با انرژی استثنایی کم، به عنوان مثال، تجزیه و تحلیل ساعت 2 اینتل با استفاده از مدارهای رویداد که تنها زمانی که سیگنال وجود دارد، قدرت مصرف می کنند.

محاسبات Quantum وعده می دهد تا مشکلات خاصی را حل کند (به عنوان مثال، فاکتور، بهینه سازی، شیمی کوانتومی) با استفاده از کیوبیت هایی که نیاز به خنک سازی شدید به نزدیک صفر مطلق دارند - با این حال، کل بودجه انرژی بالا است، برای وظایفی که کوانتومی ها، زمان به صرفه جویی در انرژی کلاسیک، به عنوان ابزار صرفه جویی در استفاده از خرابی خالص آنها، به عنوان آسیب پذیری بالا، به عنوان ابزار ذخیره سازی داده های کوانتومی، به عنوان ابزار ذخیره سازی، به عنوان آسیب پذیری بالا، به عنوان آسیب پذیری بالا، به عنوان ابزار ذخیره سازی داده های هوشمند، به عنوان ابزار ذخیره سازی داده های هوشمند، به سرعت بالا، به صرفه جویی در انرژی، به سرعت بالا، به صرفه جویی در زمان، به صرفه جویی در زمان، به سرعت بالا، با توجه می کند.

ادغام چیپلت و 3D

شکستن یک مونولیث به تراشه های کوچکتر متصل از طریق یک interposer امکان می دهد چندین برد پایداری را فراهم کند. اول، هر تراشه می تواند بر روی گره فرآیند بهینه ساخته شود - به عنوان مثال، یک منطق در یک گره پیشرو انرژی می میرد و I / O در یک گره بالغ و ارزان تر - کاهش انرژی کلی، بازده تراشه بالاتر از آن تاخیر بزرگ انرژی، کاهش می یابد (به جای یک تراشه برش داده شده است).

چالش ها و مسیرهای آینده

علی رغم این پیشرفت ها، موانع متعددی باقی مانده است.تعامل کارآمد عملکرد پایدارترین است: بسیاری از تکنیک های طراحی سبز (به عنوان مثال، عملیات نزدیک به قلعه، گرم کردن ساعت تهاجمی) کاهش عملکرد اوج، که تعارض با مصرف کننده و تقاضاهای شرکت برای پردازنده های همیشه سریع تر. بازار هنوز هم سرعت خام را نسبت به پایداری پاداش می دهد، اگرچه ارائه دهندگان اصلی ابر در حال حاضر شدت تولید کربن (UE) و تصمیم گیری های کربن را کاهش می دهند.

هزینه یکی دیگر از موانع است - مواد پایدار - مانند بستر GaN یا بسته بندی های تجزیه و تحلیل - اغلب گران تر از جایگزین های معمول در مقیاس کوچک است. ارتقاء های یافته به فرآیندهای کربن خنثی نیاز به سرمایه گذاری عظیم دارند و همه تولید کنندگان انگیزه مالی برای ایجاد تغییر سیاست، مانند مالیات کربن بر تولید تراشه یا اهداف بازیافت اجباری، نمی توانند سطح زمین را بازی کنند.

مدیریت حرارتی چالش برانگیزتر می شود زیرا تراشه ها اجزای ناهمگنتری را ادغام می کنند - تکنیک های خنک کننده پیشرفته - غوطه وری مایع، کانال های میکروفلوئیدیک، دو فاز تبخیر کننده - می توانند گرمای زباله را برای ساخت گرمایش یا آب گرم بهبود بخشند، بهبود کارایی کلی سیستم نیز مورد نیاز است: بدون معیارهای گسترده صنعت برای پایداری میکروپر (به عنوان مثال، دستورالعمل انرژی سنج در یک طراحی چرخه عمر اندازه گیری شده)، گزینه های دشوار برای خریداران است.

همکاری در سراسر صنعت، دانشگاه و دولت در حال شتاب دادن به پیشرفت است IEEE استانداردهای ICT سبز، وزارت انرژی ایالات متحده برنامه های بهره وری مرکز داده (FLT3) و موسسات تحقیقاتی از جمله MIT [FLT] [FLT] پردازنده های طراحی پیشرفته (F6LT) را به عنوان پردازنده های طراحی تغییر می دهند.

مسیر پیش رو

طراحی میکروپرپرها برای محاسبات پایدار یک چالش مهندسی، یک چالش بازار و یک چالش سیاست به یک.هیچ تکنیک واحد کافی نخواهد بود. امیدوار کننده ترین مسیر ترکیب معماری های کارآمد انرژی (DVFS، هسته های ناهمگن، نزدیک به تراشه های عملیاتی، مواد پایدار و تولید (زیر زیست محیطی، بازیافت آب، زنجیره های بدون تعارض)، و تفکر مبتنی بر انرژی (هر چند که یک از نرم افزار پشتیبانی از نوروضر، انعطاف پذیری، توسعه یافته است).

برای صنعت فناوری برای کمک به یک سیاره سالم تر، پایداری باید از یک توجه ثانویه به یک محدودیت طراحی هسته بالا رود، به این معنی که سرمایه گذاری در تحقیق، اتخاذ استانداردهای باز مانند RISC-V برای فعال سازی طراحی مجدد و خواستار شفافیت در حسابداری کربن، آگاهی مصرف کننده و فشار نظارتی همچنان به سمت تولید کنندگان در محصولات سبزتر ادامه خواهد داد.