Impactul în creştere al computării asupra mediului

Infrastructura modernă de calcul consumă o parte din ce în ce mai mare a energiei electrice globale. Centrele de date reprezintă doar aproximativ 1 ian.2% din consumul mondial de energie electrică, iar această cifră continuă să crească odată cu extinderea serviciilor cloud, inteligența artificială și calculul de margine. Industria semiconductorilor contribuie cu o parte semnificativă a carbonului încorporat în electronică, de la extracția materiilor prime prin fabricarea până la eliminarea la sfârșitul vieții. Microprocesoarele, deoarece inima computațională a aproape oricărui dispozitiv digital, reprezintă atât o sursă majoră de cerere de energie, cât și o pârghie critică pentru reducerea efectelor nocive asupra mediului. Proiectarea microprocesoarelor eficiente din punct de vedere energetic, construite cu materiale durabile și optimizate pentru durate de viață mai lungi nu mai este opțională .

Principii cheie de proiectare durabilă a microprocesorului

Arhitecturi eficiente din punct de vedere energetic

Cel mai imediat mod de a reduce amprenta de mediu a unui microprocesor este de a reduce consumul de energie fără a sacrifica performanța. Tensiunea dinamică și scalarea frecvenței (DVFS) a fost o tehnică de bază, permițând procesatorilor să își adapteze tensiunea de funcționare și viteza de ceas pe baza cerințelor de muncă în timp real. chips-urile moderne extind acest principiu cu DVFS per-core, permițând gestionarea de putere granulară. Arhitecturi de calcul heterogene, cum ar fi marile modele de ARM și Intel hibride x86, perechi de nuclee de înaltă performanță cu nuclee eficiente energetic pentru a gestiona diferite sarcini cu extragere optimă de putere.

Dincolo de scalarea miezului, designul avansat al ceasului, decuplarea puterii şi tendinţa adaptativă a corpului reduc curentul de scurgere

Materiale durabile și fabricare

Fabricarea traditionala pe baza de siliciu se bazeaza pe procese de inalta temperatura, substante chimice toxice (de exemplu, perfluorocarburi, arsenic si galiu) si substraturi greu de reciclat. Cercetarea in materiale semiconductoare alternative

Utilizarea apei în fabs este o altă preocupare presantă. Un singur 300mm Wafer poate necesita mii de galoane de apă ultrapură. Sisteme de reciclare închise-loop, alternative de gravare uscată, și utilizarea apei regenerate devin standard în turnătorie de conducere. În plus, eliminarea mineralelor de conflict (de exemplu, huilă, staniu, tungsten, aur) prin lanțuri de aprovizionare certificate și înlocuirea lipitori pe bază de plumb cu aliaje de staniu-silver-copper reduce atât daune umane și de mediu. Trecerea spre fab-uri neutre carbon .

Considerații pe ciclu de viață: Proiectare pentru longevitate și reciclare

Impactul asupra mediului al unui microprocesor se extinde mult dincolo de energia sa operaţională. Producţia unui singur cip de 1,5 cm2 poate emite echivalentul a câteva kilograme de CO2. Dacă acest cip este utilizat pentru doar doi sau trei ani înainte de a fi eliminat, carbonul încorporat este amortizat pe o perioadă scurtă, ceea ce face amprenta totală pe an mare. Proiectarea pentru o durată mai lungă de viaţă de serviciu

Reciclabilitatea începe în etapa de proiectare. Chipsurile care folosesc mai puține elemente de pământ rare, evita compuși de potting care împiedică dezasamblarea, și încorporează pachete standardizate (de exemplu, LGA vs. BGA) sunt mai ușor de recuperat. Interesul în creștere în proiecte bazate pe chiplet (a se vedea mai jos) oferă o cale naturală: dacă un singur nucleu sau memorie mor pot fi schimbate mai degrabă decât aruncarea procesorului întreg, eficiența materială îmbunătățește. Procesele de reciclare a materialului final-de-viață poate recupera aur, argint, paladiu, și cupru, tăiere nevoia de minerit virgin.

Inovații care conduc eco-prietenește calcul

Calculul aproape-Threshold și subtreț

Tranzistorii de operare în apropierea tensiunii lor prag

Calculul neuromorfic și cuantic

Cipuri neuromorfice imita structura și funcția rețelelor neurale biologice, folosind neuroni și sinapse din plastic pentru a efectua calcule cu energie excepțional de mică. De exemplu, Intel Loihi 2 procese puține piroane cu ajutorul circuitelor conduse de evenimente care consumă energie doar atunci când este prezent un semnal. Un accelerator neuromorfic care abordează sarcini de tip-recunoaștere poate fi 100

Cantum computing promite să rezolve anumite probleme (de exemplu factoring, optimizare, chimie cuantică) folosind quabits care necesită răcire extremă până aproape zero absolut

Integrare pe bază de chiplete și 3D

Spargerea unui monolit se transformă într-un chiplet mai mic conectat printr-un interpozitor permite mai multe victorii durabile. În primul rând, fiecare chiplet poate fi fabricat pe nodul optim al procesului . De exemplu, o soartă logică pe un nod de vârf și un I/O moare pe un nod matur, mai mic-cost . În primul rând, reducerea energiei de fabricație generală. În al doilea rând, randamentele de chiplet sunt mai mari decât cele ale deşeurilor mari, slashing materiale de deșeuri. În al treilea rând, un chiplet nereusit poate fi înlocuit mai degrabă decât aruncarea întregului pachet, extinderea duratei de viață de serviciu. Integrarea 3D, în cazul în care moare sunt stivate vertical, scurtează lungimile de sârmă, atât de tăiere a semnalului întârziere și putere. Combinat cu prin - TSVs, 3D stive atinge lățimea mare de memorie la o fracțiune din energia conexiunile off-chip.

Provocări şi direcţii viitoare

În ciuda acestor progrese, mai rămân câteva bariere. Comerţul performanţă-eficienţă este cel mai persistent: multe tehnici de proiectare verde (de exemplu, exploatarea la limită, garajul agresiv) reduc performanţele maxime, care intră în conflict cu consumatorii şi întreprinderile solicită procesatori mai rapizi. Stimulente de piaţă încă recompensează viteza brută în faţa durabilităţii, deşi marii furnizori de cloud factorează acum eficienţa consumului de energie (PUE) şi intensitatea carbonului în deciziile de achiziţii.

Costul este un alt obstacol. Materialele durabile

Managementul termic devine mai dificil pe măsură ce chips-urile integrează mai multe componente eterogene. Tehnici avansate de răcire

Colaborarea intre industrie, mediul academic si guvern accelereaza progresul.Initiative precum IEEE[ Standardele TIC verzi, Departamentul de Energie al SUA Programe de eficienta a centrului de date[ si cercetari din institutii precum MIT privind proiectarea procesorului de joasă tensiune conduc inovatia. Trecerea spre ]]calculator neuromorfic[ si arhitecturi de ciplet reprezinta o regândire fundamentala a modului in care procesatorii sunt construiti .

Calea înainte

Proiectarea microprocesoarelor pentru calcul durabil este o provocare inginerească, o provocare de piață și o provocare politică, care se va concretiza într-una singură. Nici o singură tehnică nu va fi suficientă. Cea mai promițătoare cale combină arhitecturile eficiente din punct de vedere energetic (DVFS, nuclee eterogene, operațiuni de apropiere de nivelul de siguranță), materialele durabile și producția (substraturi biodegradabile, reciclarea apei, lanțurile de aprovizionare fără conflicte) și gândirea pe ciclu de viață (modulitate, reciclabilitate, suport software extins). Paradigme emergente

Pentru ca industria tehnologică să contribuie semnificativ la o planetă mai sănătoasă, durabilitatea trebuie să fie ridicată de la o analiză secundară la o constrângere de proiectare de bază. Aceasta înseamnă că investirea în cercetare, adoptarea unor standarde deschise precum RYC-V pentru a permite reutilizarea proiectelor și solicitarea transparenței în contabilitatea carbonului. Conștiința consumatorilor și presiunea de reglementare vor continua să împingă producătorii către produse mai ecologice. Următoarea generație de microprocesoare nu va fi doar mai rapidă și mai capabilă . De asemenea, acestea vor fi mai ușoare pe Pământ, iar aceasta este o viitoare valoare de construcție.