Store skritt med grønnere småelektronikk
Ti prosent mer energieffektiv småelektronikk i verden kan nulle Norges årlige utslipp av CO2.
Data- og elektronikkmiljøet på NTNU har som mål å bidra til bærekraftig utvikling ved å gjøre verdens datasystemer ti prosent mer energieffektive. Datasystemene skal både yte mer og bruke mindre energi, noe som får konsekvenser for utvikling av programvare og maskinvare.
Flere milliarder mobiler
Verdens småelektronikk bruker i dag årlig energi tilsvarende 800 TWh (2010).
– Det er 3,6 ganger Norges årlige energiforbruk, 150 ganger årlig energiforbruk hos Hydro Aluminium på Sunndalsøra, eller nok energi for et gjennomsnittlig passasjerfly til å fly jorda rundt over 250 000 ganger, sier førsteamanuensis Magnus Jahre ved NTNU.
– Vi vil sikre at energien i mobilene brukes mest mulig effektivt, sier han.
Avanserte dataanlegg er svært energikrevende, så her er det naturligvis mye energi å spare med grønn teknologi. Men siden de minste datamaskinene – mobilene – får større og større utbredelse, er det også mye energi å spare her. I verden er det nå 6,8 milliarder mobilabonnenter (ITU 2013).
250-300 prosent mer energieffektivt
Førsteamanuensis Magnus Jahre koordinerer forskning på IKT og elektronikk ved NTNU, og har bærekraftig utvikling som mål. – Datasystemer må bruke energien mest mulig effektivt, sier han.
Jahre er koordinator for forskningsfyrtårnet Energy Efficient Computing Systems (EECS), et forskningssamarbeid mellom Institutt for datateknikk og informasjonsvitenskap og Institutt for elektronikk og telekommunikasjon ved NTNU. EECS bruker hundretusenvis av timer til å modellere og simulere et utvalg testprogrammer.
– Vi har økt energieffektiviteten 2,5-3 ganger for testprogrammer til finanssektoren, ingeniørapplikasjoner, visualisering, bildebehandling og videokomprimering. Dette vil si 250-300 prosent mer energieffektive programmer, noe som er langt over vår målsetting, sier Jahre.
Ser minst ti år fram i tid
Produsentene av datasystemer er opptatt av teknikker som gir økonomisk gevinst i løpet av få år. Dataforskernes horisont er minst ti år. For at forskerne skal oppnå målet om global utslippsreduksjon tilsvarende Norges årlige CO2-utslipp, forutsetter de to ting.
– Innovasjoner må brukes til å redusere energiforbruket. Innsparingen må dessuten brukes til å skru av kraftproduksjonen i kullkraftverk. Nå kan vi selvsagt bare anta og håpe at kraftverkene som slipper ut mest CO2, blir skrudd av. Men vi jobber for at kraften i elektronikk og datateknologi blir utnyttet mest mulig effektivt, sier Jahre.
Ytelse og energieffektivitet
Et bedre datasystem handler om at systemet tar bedre beslutninger og fordeler energien bedre. Fra midt på 1980-tallet til 2002 ble ytelsen i datasystemer forbedret med 50 prosent hvert år.
Da kom «The Power Wall» og ytelsen for vanlige datamaskiner ble begrenset av effektforbruket, det vil si hvor mye energi som brukes hvor fort.
– Konsekvensen er at vi for framtiden ikke kan forbedre ytelsen i datamaskiner uten samtidig å gjøre dem mer energieffektive, sier Jahre.
De siste ti årene har datautviklerne i verden greid å forbedre de verste problemene. Nå går utviklingen og industrien inn i en ny fase for videre forbedring av datasystemer.
Minst i bruk blir mørklagt
Fra slutten av 1990-tallet har transistorene blitt mindre. Det betyr at de bruker mindre energi. En datamaskin er bygget opp av mange transistorer som igjen bygges opp til kretser. En krets kalles også brikke eller mikrobrikke.
– Dagens datamaskiner får stadig flere transistorer. Men utviklerne greier ikke lenger å redusere energibruken per transistor slik at energiforbruket ikke reduseres nok samlet sett. Det betyr at framtidens datamaskiner begrenses av effektforbruk og ikke av størrelsen på brikkene, sier Jahre.
Resultatet er at alle transistorene på en brikke ikke kan få strøm samtidig og yte mer effekt enn det kjølesystemet kan håndtere.
– Vi skal derfor utvikle og prøve transistorer med ulike prosesseringselementer i mange kombinasjoner på ytelse og energi. Prosesseringselementene som det er minst bruk for i øyeblikket, må være «mørklagt» slik at systemet yter maksimalt uten å overstige kapasiteten i kjølesystemet. Da blir brikken for varm, forklarer Jahre.
Noen prosesseringselementer på brikken vil være energieffektive for noen programmer og andre for andre programmer.
– Utfordringen er å få til systemer som skrur på de rette prosesseringselementene til enhver tid, sier Jahre.
Få og store produsenter
Prosessorer behandler data, og er noen av de mest grunnleggende byggeblokkene i datasystemer. Prosessorer brukes i nesten alle typer elektroniske produkter som mobiler, datamaskiner, tv og vaskemaskiner. Noen av de få og store produsentene som lager prosessorer er Intel, AMD, IBM og ARM.
Bortsett fra størrelsen, har ikke prosessorene endret seg særlig de siste ti årene. En fem år gammel og en ny datamaskin yter omtrent like mye. Selv om du opplever at maskinen yter bedre, har bare produsenten dyttet flere prosessorer inn i maskinen slik at den kan løse flere oppgaver samtidig.
Begrensninger
Måling av ytelse og energibruk i programmer og datamaskiner.
Siden relativt få produsenter i verden lager prosessorer, blir det lettere å gripe tak i den globale utviklingen av datasystemer og energiforbruk. Men effektforbruk er en begrensende faktor i små og store datasystemer.
– Vi kan utvikle bedre prosessorer, men prosessorer er begrenset av kapasiteten i kjølesystemer. En liten datamaskin som mobilen har et lite kjølesystem. Det setter grenser for ytelse og dermed også for effektforbruket, forklarer Jahre.
For at datamaskinen skal yte bedre, må beregningene som gjøres bli mest mulig effektive. Det er vanskelig fordi maskinen foretar flere beregninger samtidig og fordi beregningene hele tiden sjekkes mot hverandre.
Forskerne ønsker også å utvikle bedre minnesystemer, som ofte er avgjørende for høy ytelse totalt.
Hvis mobilen bruker mindre energi, vil batteriet vare lenge. Men det er ikke enkelt å forbedre ytelsen og samtidig redusere energibruken i så små enheter.
Jo større oppgaver du ber mobilen om å utføre, jo mer varme og jo mer energi. Er oppgavene store, sendes de til energikrevende servere som løser dem og sender resultatene tilbake til din mobil.
Samarbeid med ARM
En viktig forutsetning for grønnere datateknologi er at dagens spesialiserte og uavhengige forskningsområder samarbeider mer. For eksempel må de som lager prosessorer og de som lager programvare lære mer av hverandres teknologi og jobbe tettere sammen.
NTNU-forskernes analyser og kunnskap om prosessorer blir delt og publisert. Selv produserer de ingenting av datasystemer eller komponenter. Det gjør imidlertid det globale elektronikkfirmaet ARM som nylig inngikk samarbeid med NTNUs fagmiljø.
Suksessen startet da data- og elektronikkstudenter ved NTNU fikk en god idé. De ville lage grafikkprosessorer for mobiler på en tid da mobiler ikke hadde grafikk. Firmaet deres ble etter hvert solgt til elektronikkgiganten ARM som i dag utvikler effektive prosessorer med lavt strømforbruk til mobiler og forsyner 95 prosent av all mobilteknologi i verden.
