با توسعه فناوری‌های ارتباطات و اطلاعات، افزایش مصرف سوخت‌های‌فسیلی و تولید گازهای گلخانه‌ای به چالشی جهانی تبدیل شده است
تولیددی‌اکسید کربن با جستوجوی اینترنتی!
دنیای مدرن و حتی به نوعی پسامدرن، به‌تدریج ما را درگیر چالش‌هایی می‌كند كه شاید چند سال پیش كمتر تصوری از آنها داشتیم. هر روز که سپری می‌شود شاهد ظهور یك فناوری نوین مبتنی بر تراشه‌های محاسباتی هستیم؛ همان پردازشگرهایی كه در گوشی موبایل، لپ‌تاپ، تبلت و... بسیاری از ابزارهای نوین وجود دارند و امكانِ پردازش اطلاعات را با سرعت هرچه بیشتر فراهم می‌كنند. این عطش سیری‌ناپذیر ما برای هرچه «سریع‌تر شدن» این ابزار و در عین حال «كوچك‌تر شدن» آنها، ظاهرا پایانی ندارد. از دیدن و استفاده از این ابزارهای نوین، چه در دنیای سرگرمی و چه به وقت كار و فعالیت، لذت می‌بریم و پایانی بر این پیشرفت متصور نیستیم. شاید عجیب باشد بدانیم اكنون در حال ورود به مرحله‌ای هستیم كه استفاده از این پردازشگرها به‌تدریج با تغییرات آب و هوایی سیاره زمین گره می‌خورد! اما چگونه چنین چیزی ممكن است؟
اكنون حدود 6 درصد از كل انرژی الكتریكی دنیا صرف انجام محاسبات در پردازشگرها می شود. طبیعی است برای تولید انرژی الكتریكی هنوز هم سوخت‌های فسیلی نقش اساسی ایفا می‌كنند. به این ترتیب، بخشی از گازهای گلخانه‌ای - و از جمله دی‌اكسیدكربن - ناشی از انرژی الكتریكی تولیدشده برای مصرف در پردازشگرهای مختلف است. برای مثال، یك جستوجوی ساده در گوگل یا ارسال یك ایمیل به ترتیب 085/0 گرم و یك گرم گاز دی‌اكسیدكربن تولید می‌كند! استفاده از یك گوشی هوشمند در طول یك شبانه‌روز، معادل تولید 47 گرم گاز دی‌اكسیدكربن است. اما نكته دوم قابل تأمل حجم داده‌هایی است كه مبادله می‌شوند. مثلا در سال ۱۹۸۴ میلادی حجم ترافیك كل دنیا در هر ماه فقط ۱۵ گیگابایت بود. اما در سال ۲۰۱۹ میلادی حجم ترافیك مورد استفاده هفتگی هر یك از ما تقریبا معادل همین مقدار است. پیش‌بینی می‌شود تا پنج سال دیگر حجم ترافیك داده به حدود 21 10 بایت برسد! به‌علاوه تا آن موقع، تعداد ابزارهای متصل به اینترنت حدود 28 میلیارد دستگاه تخمین زده می‌شود. از سوی دیگر، انتظار می‌رود با ارتقای شبكه‌های موبایل از نسل چهارم (4G) به نسل پنجم (5G) سرعت دانلود به طور قابل ملاحظه‌ای افزایش یابد. این همه یعنی مصرف هرچه بیشتر انرژی الكتریكی برای محاسبات.
با این رشد شگرف، برخی پیش‌بینی‌ها حكایت از آن دارند كه میزان مصرف انرژی الكتریكی برای محاسبات هم تا پنج سال دیگر به حدود 12درصد از كل انرژی الكتریكی تولید شده می‌رسد. حتی برخی از محققان نیز با نگاهی نسبتا بدبینانه مقدار انرژی مورد نیاز برای محاسبات را در پنج سال آینده تا یك پنجم انرژی الكتریكی كل برآورد می‌كنند. طبیعی است در چنین شرایطی این سوال اساسی مطرح شود كه آیا اساسا بشر قادر است این میزان انرژی را بدون آسیب رساندن به آب و هوای زمین تولید كند؟ آیا می‌توان به تولید پایدار انرژی الكتریسته تا این میزان امید داشت؟
مسأله گرم شدن پردازشگرها
وضعیتی كه تا اینجا اشاره كردیم زمانی پیچیده‌تر می‌شود كه توجه كنیم همین حالا هم بخش قابل ملاحظه‌ای از انرژی الكتریكی مصرفی در پردازشگرها فقط باعث گرم‌شدن آنها می‌شود. در این صورت چه باید كرد كه چنین نشود؟ اینجاست كه علم فیزیك چالش‌هایی اساسی را پیش می‌كشد. نخست ببینیم چرا تراشه‌ها یا همان مدارهای مجتمع سیلیكونی كه در همه ابزارهای محاسباتی مورد استفاده هستند گرم می‌شوند؟
حتما شنیده‌اید همه رایانه‌ها بر مبنای منطق صفر یا یك كار می‌كنند. یك ابزار الكترونیكی به نام ترانزیستور با عبور یا عدم عبور جریان الكتریكی چنین منطقی را عملیاتی می‌كند. طبیعی است هنگام عبور جریان از یك ترانزیستور بخشی از انرژی آن به گرما تبدیل شود. حال تجسم كنید یك مدار مجتمع الكتریكی یا همان تراشه سیلیكونی ممكن است از میلیاردها ترانزیستور تشكیل شده باشد. بنابراین عبور جریان الكتریكی از یك تراشه منجر به تولید گرمای قابل توجهی می‌شود. برای بسیاری از ما این تجربه آشنایی است. وقتی لپ‌تاپی را روی پا قرار می‌دهیم گرمای ایجاد شده را به‌وضوح احساس می‌كنیم. اما چه كار می‌شود انجام داد تا گرمای تولیدشده به حداقل برسد؟ پاسخ این سوال اصلا ساده نیست.
راهكارهای ترمودینامیك
در فیزیك شاخه‌ای به نام ترمودینامیك (یا همان فیزیك گرما) وجود دارد. در این بخش از فیزیك، قوانین حاكم بر تولید و انتشار گرما مورد بحث قرار می‌گیرد. به نظر می‌رسد ترمودینامیك در ارتباط با تراشه‌های رایانه‌ای باید مورد مطالعه قرار گیرد. به بیان دیگر، ضروری است محاسباتی انجام شوند تا میزان گرمای تولید شده در تراشه‌ها بر اساس محاسباتی كه انجام می‌دهند به دست آید. محققان بسیاری در این مسیر در حال تحقیق‌اند. حتی ترمودینامیك كلاسیك كه مختص سامانه‌های تعادلی است به وضعیت‌هایی تعمیم داده شده است كه به‌عنوان حالت‌های غیر تعادلی شناخته می‌شوند. گام‌های اولیه در این راستا برداشته شده‌اند، با این حال هنوز تا دستیابی به محاسبات دقیق طراحی تراشه با كمترین میزان تولید گرما كارهای زیادی باید انجام شود. از سوی دیگر، تراشه‌های ساخته‌شده روز به روز كوچك‌تر می‌شوند و تعداد بسیار بیشتری ترانزیستور را در حجم كوچك‌تری جای می‌دهند. اما به‌تدریج به مرحله‌ای نزدیك می‌شویم كه ترانزیستورها را نمی‌توان از حدی بیشتر نزدیك هم قرار دارد؛ زیرا گرمای تولیدشده می‌تواند عملكرد آنها را تحت‌تأثیر قرار دهد. دقیقا همین محدودیت‌های فیزیكی است كه باعث می‌شوند بخش عمده انرژی الكتریكی مصرفی در تراشه‌ها به گرما تبدیل شود.
اما شاید برای كاهش مصرف انرژی تراشه‌ها لازم است نوع طراحی آنها كاملا تغییر یابد. مهم‌تر آن‌كه چرا می‌توان به دستیابی به چنین هدفی امیدوار بود؟
اَبَررایانه‌های فعلی مقادیر بسیار عظیمی انرژی الكتریكی مصرف می‌كنند؛ به طوری كه استفاده از سامانه‌های سرمایشی برای آنها لازم است. این در حالی است كه مغز آدمی، به عنوان یك ابررایانه زیستی، فقط با یك سوم انرژی یك لپ‌تاپ كار می‌كند. به‌همین دلیل است كه برخی از محققان بر این باورند كه شاید با نگاهی دقیق‌تر به سامانه‌های زیستی بتوانیم به نسل جدیدی از محاسبه‌گرهای فوق‌العاده سریع دست یابیم كه انرژی مصرفی‌شان بسیار كم باشد. البته اینها فعلا گمانه‌زنی‌های نظری است، هر چند پیشرفت‌هایی هم تاكنون حاصل شده‌اند.
آینده نامعلوم مدیریت انرژی ابزارهای الكترونیك
در حال حاضر، در ساخت همه مدارهای مجتمع از سیلیكون استفاده می‌شود. كمترین انرژی لازم برای آن‌كه ترانزیستورها در این بستر سیلیكونی كار كنند نسبتا بالاست. استفاده از موادی مثل ژرمانیوم، نانو تیوب‌های كربن یا گرافن احتمالا می‌تواند به كاهش مؤثر گرمای تولیدشده كمك شایانی كند. حتی پیشنهاد شده است از برخی پدیده‌های كوانتومی برای تقلیل گرما تولیدشده استفاده شود. استفاده از سایر رهیافت‌های انتقال اطلاعات مبتنی بر برخی خصوصیات كوانتومی، مثل اسپین یا فوتون‌های نور نیز در دستور كار است. اما بعید است در آینده نزدیك چنین فناوری‌های نوینی به صورت محصولات تجاری درآیند كه بتوانند در كاهش انرژی الكتریكی مصرفی نقش مؤثری ایفا كنند.
اما برخی از محققان بر این باورند نسل آینده تراشه‌ها احتمالا تركیبی از فناوری‌های فعلی و دستاوردهای نوین خواهند بود. البته به لحاظ مطالعات نظری پیشرفت‌های صورت‌گرفته قابل توجه است؛ ولی نكته كلیدی این است كه تبدیل این یافته‌ها به صورتی كه در دسترس همه قرار گیرد كار چندان آسانی نیست. به این ترتیب به نظر می‌رسد عطش سیری‌ناپذیر نوع بشر به فناوری‌های اطلاعاتی و ابزارهای مرتبط با آن وارد مرحله‌ای شده است كه دوام پایای آن مستلزم دوراندیشی‌های جدی است.
اطلاعات آماری از: World Economic Forum
