Οι σύγχρονοι υπολογιστές συνιστούν ένα θρίαμβο της τεχνολογίας. Ένα μόνο τσιπ υπολογιστή περιέχει δισεκατομμύρια τρανζίστορ κλίμακας νανομέτρων που λειτουργούν εξαιρετικά αξιόπιστα και με ρυθμό εκατομμυρίων λειτουργιών ανά δευτερόλεπτο.
Ωστόσο, αυτή η υψηλή ταχύτητα και η αξιοπιστία έχουν ως κόστος τη σημαντική κατανάλωση ενέργειας: τα κέντρα δεδομένων και οι οικιακές συσκευές πληροφορικής, όπως οι υπολογιστές και τα smartphones, αντιστοιχούν στο 3% περίπου της παγκόσμιας ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας, και η χρήση της τεχνητής νοημοσύνης είναι πιθανό να οδηγήσει σε ακόμη μεγαλύτερη κατανάλωση.
Τι θα γινόταν όμως αν μπορούσαμε να επανασχεδιάσουμε τον τρόπο λειτουργίας των υπολογιστών, ώστε να μπορούν να εκτελούν υπολογιστικές εργασίες το ίδιο γρήγορα με σήμερα, ενώ παράλληλα να καταναλώνουν πολύ λιγότερη ενέργεια; Εδώ, η φύση μπορεί να μας προσφέρει κάποιες πιθανές λύσεις.
Ο επιστήμονας της IBM Rolf Landauer ασχολήθηκε με το ερώτημα αν χρειάζεται να ξοδεύουμε τόση ενέργεια για υπολογιστικές εργασίες το 1961. Κατέληξε στο όριο Landauer, το οποίο δηλώνει ότι μια απλή υπολογιστική εργασία - για παράδειγμα η ρύθμιση ενός bit, της μικρότερης μονάδας πληροφορίας του υπολογιστή, ώστε να έχει την τιμή μηδέν ή ένα - πρέπει να δαπανά περίπου 10-²¹ joules (J) ενέργειας.
Αυτό είναι ένα πολύ μικρό ποσό, παρά τα πολλά δισεκατομμύρια εργασιών που εκτελούν οι υπολογιστές. Αν μπορούσαμε να λειτουργήσουμε τους υπολογιστές σε τέτοια επίπεδα, η ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας που χρησιμοποιείται στους υπολογισμούς και η διαχείριση της απορριπτόμενης θερμότητας με τα συστήματα ψύξης δεν θα μας απασχολούσε καθόλου.
Ωστόσο, υπάρχει μια παγίδα. Για να εκτελεστεί μια λειτουργία bit κοντά στο όριο Landauer, πρέπει να εκτελεστεί απείρως αργά. Ο υπολογισμός σε οποιαδήποτε πεπερασμένη χρονική περίοδο προβλέπεται να κοστίσει ένα πρόσθετο ποσό που είναι ανάλογο του ρυθμού με τον οποίο εκτελούνται οι υπολογισμοί. Με άλλα λόγια, όσο πιο γρήγορος είναι ο υπολογισμός, τόσο περισσότερη ενέργεια χρησιμοποιείται.
Πιο πρόσφατα αυτό αποδείχθηκε από πειράματα που δημιουργήθηκαν για την προσομοίωση υπολογιστικών διαδικασιών: η διάχυση ενέργειας αρχίζει να αυξάνεται μετρήσιμα όταν εκτελείτε περισσότερες από περίπου μία πράξεις ανά δευτερόλεπτο. Οι επεξεργαστές που λειτουργούν με ταχύτητα ρολογιού ενός δισεκατομμυρίου κύκλων ανά δευτερόλεπτο, η οποία είναι τυπική στους σημερινούς ημιαγωγούς, χρησιμοποιούν περίπου 10-¹¹J ανά bit - περίπου δέκα δισεκατομμύρια φορές περισσότερο από το όριο Landauer.
Μια λύση μπορεί να είναι ο σχεδιασμός των υπολογιστών με ριζικά διαφορετικό τρόπο. Ο λόγος για τον οποίο οι παραδοσιακοί υπολογιστές λειτουργούν με πολύ γρήγορο ρυθμό είναι ότι λειτουργούν σειριακά, μία λειτουργία τη φορά. Αν αντ' αυτού μπορούσε κανείς να χρησιμοποιήσει έναν πολύ μεγάλο αριθμό «υπολογιστών» που λειτουργούν παράλληλα, τότε ο καθένας θα μπορούσε να λειτουργεί πολύ πιο αργά.
Για παράδειγμα, θα μπορούσε κανείς να αντικαταστήσει έναν επεξεργαστή «λαγό» που εκτελεί ένα δισεκατομμύριο πράξεις σε ένα δευτερόλεπτο με ένα δισεκατομμύριο επεξεργαστές «χελώνες», που ο καθένας χρειάζεται ένα ολόκληρο δευτερόλεπτο για να κάνει την εργασία του, με πολύ χαμηλότερο ενεργειακό κόστος ανά πράξη. Μια εργασία του 2023 στην οποία συμμετείχα ως συν-συγγραφέας έδειξε ότι ένας υπολογιστής θα μπορούσε τότε να λειτουργεί κοντά στο όριο Landauer, χρησιμοποιώντας τάξεις μεγέθους λιγότερη ενέργεια από τους σημερινούς υπολογιστές.
Ισχύς χελώνας
Είναι δυνατόν να έχουμε δισεκατομμύρια ανεξάρτητους «υπολογιστές» που να λειτουργούν παράλληλα; Η παράλληλη επεξεργασία σε μικρότερη κλίμακα χρησιμοποιείται συνήθως ήδη σήμερα, για παράδειγμα όταν περίπου 10.000 μονάδες επεξεργασίας γραφικών ή GPU λειτουργούν ταυτόχρονα για την εκπαίδευση μοντέλων τεχνητής νοημοσύνης.
Ωστόσο, αυτό δεν γίνεται για να μειωθεί η ταχύτητα και να αυξηθεί η ενεργειακή απόδοση, αλλά μάλλον από ανάγκη. Τα όρια της διαχείρισης της θερμότητας καθιστούν αδύνατη την περαιτέρω αύξηση της υπολογιστικής ισχύος ενός μόνο επεξεργαστή, οπότε οι επεξεργαστές χρησιμοποιούνται παράλληλα.
Ένα εναλλακτικό υπολογιστικό σύστημα που είναι πολύ πιο κοντά σε αυτό που θα χρειαζόταν για να προσεγγιστεί το όριο Landauer είναι γνωστό ως βιοϋπολογισμός βασισμένος σε δίκτυο. Χρησιμοποιεί βιολογικές κινητήριες πρωτεΐνες, οι οποίες είναι μικροσκοπικές μηχανές που βοηθούν στην εκτέλεση μηχανικών εργασιών στο εσωτερικό των κυττάρων.
Το σύστημα αυτό περιλαμβάνει την κωδικοποίηση μιας υπολογιστικής εργασίας σε ένα νανοκατασκευασμένο λαβύρινθο καναλιών με προσεκτικά σχεδιασμένες διασταυρώσεις, τα οποία συνήθως αποτελούνται από πολυμερή μοτίβα που εναποτίθενται σε πλακίδια πυριτίου. Όλες οι πιθανές διαδρομές μέσα στο λαβύρινθο εξερευνώνται παράλληλα από έναν πολύ μεγάλο αριθμό μακρών μορίων που μοιάζουν με νήματα και ονομάζονται βιοϊνίδια, τα οποία κινούνται από τις κινητήριες πρωτεΐνες.
Κάθε νήμα έχει διάμετρο μόλις μερικά νανόμετρα και μήκος περίπου ένα μικρόμετρο (1.000 νανόμετρα). Το καθένα από αυτά λειτουργεί ως ατομικός «υπολογιστής», κωδικοποιώντας πληροφορίες με τη χωρική του θέση στο λαβύρινθο.
Αυτή η αρχιτεκτονική είναι ιδιαίτερα κατάλληλη για την επίλυση των λεγόμενων συνδυαστικών προβλημάτων. Πρόκειται για προβλήματα με πολλές πιθανές λύσεις, όπως ο προγραμματισμός εργασιών, τα οποία είναι υπολογιστικά πολύ απαιτητικά για τους σειριακούς υπολογιστές. Πειράματα επιβεβαιώνουν ότι ένας τέτοιος βιοϋπολογιστής απαιτεί μεταξύ 1.000 και 10.000 φορές λιγότερη ενέργεια ανά υπολογισμό από ό,τι ένας ηλεκτρονικός επεξεργαστής.
Αυτό είναι δυνατό επειδή οι ίδιες οι βιολογικές κινητήριες πρωτεΐνες έχουν εξελιχθεί έτσι ώστε να μην καταναλώνουν περισσότερη ενέργεια από όση χρειάζεται για να εκτελέσουν το έργο τους με τον απαιτούμενο ρυθμό. Αυτό είναι συνήθως μερικές εκατοντάδες βήματα ανά δευτερόλεπτο, ένα εκατομμύριο φορές πιο αργά από τα τρανζίστορ.
Προς το παρόν, μόνο μικροί βιολογικοί υπολογιστές έχουν κατασκευαστεί από ερευνητές για να αποδείξουν την ιδέα. Για να είναι ανταγωνιστικοί με τους ηλεκτρονικούς υπολογιστές όσον αφορά την ταχύτητα και τους υπολογισμούς και για να διερευνήσουν παράλληλα πολύ μεγάλο αριθμό πιθανών λύσεων, οι βιολογικοί υπολογισμοί που βασίζονται σε δίκτυα πρέπει να επεκταθούν.
Μια λεπτοµερής ανάλυση δείχνει ότι αυτό θα ήταν δυνατό µε την τρέχουσα τεχνολογία ηµιαγωγών και θα µπορούσε να επωφεληθεί από ένα άλλο µεγάλο πλεονέκτηµα των βιοµορίων έναντι των ηλεκτρονίων, δηλαδή την ικανότητά τους να µεταφέρουν ατοµικές πληροφορίες, για παράδειγµα µε τη µορφή ετικέτας DNA.
Ωστόσο, υπάρχουν πολλά εμπόδια για την κλιμάκωση αυτών των μηχανών, συμπεριλαμβανομένης της εκμάθησης του ακριβούς ελέγχου κάθε βιοϊνιδίου, της μείωσης των ποσοστών σφάλματος και της ενσωμάτωσής τους στην τρέχουσα τεχνολογία. Εάν αυτού του είδους οι προκλήσεις μπορέσουν να ξεπεραστούν τα επόμενα χρόνια, οι επεξεργαστές που θα προκύψουν θα μπορούσαν να επιλύσουν ορισμένους τύπους δύσκολων υπολογιστικών προβλημάτων με μαζικά μειωμένο ενεργειακό κόστος.
Νευρομορφική Πληροφορική: Το επόμενο βήμα
Εναλλακτικά, είναι μια ενδιαφέρουσα άσκηση η σύγκριση της χρήσης ενέργειας στον ανθρώπινο εγκέφαλο. Ο εγκέφαλος χαρακτηρίζεται συχνά ως πολύ αποδοτικός ως προς την ενέργειά του, καθώς χρησιμοποιεί μόλις λίγα βατ - πολύ λιγότερα από τα μοντέλα τεχνητής νοημοσύνης - για λειτουργίες όπως η αναπνοή ή η σκέψη.
Ωστόσο, δεν φαίνεται να είναι τα βασικά φυσικά στοιχεία του εγκεφάλου που εξοικονομούν ενέργεια. Η πυροδότηση μιας σύναψης, η οποία μπορεί να συγκριθεί με ένα μόνο υπολογιστικό βήμα, χρησιμοποιεί στην πραγματικότητα περίπου την ίδια ποσότητα ενέργειας που απαιτεί ένα τρανζίστορ ανά bit.
Ωστόσο, η αρχιτεκτονική του εγκεφάλου είναι πολύ υψηλά διασυνδεδεμένη και λειτουργεί θεμελιωδώς διαφορετικά τόσο από τους ηλεκτρονικούς επεξεργαστές όσο και από τους βιοϋπολογιστές που βασίζονται σε δίκτυα. Η λεγόμενη Νευρομορφική Πληροφορική προσπαθεί να μιμηθεί αυτή την πτυχή των λειτουργιών του εγκεφάλου, αλλά χρησιμοποιώντας νέους τύπους υλικού υπολογιστών σε αντίθεση με τη βιοϋπολογιστική.
Θα ήταν πολύ ενδιαφέρον να συγκρίνουµε τις νευροµορφικές αρχιτεκτονικές µε το όριο Landauer για να δούµε αν οι ίδιες γνώσεις από τους βιοϋπολογιστές θα µπορούσαν να µεταφερθούν εδώ στο µέλλον. Αν ναι, θα μπορούσε να αποτελέσει το κλειδί για ένα τεράστιο άλμα προς τα εμπρός στην ενεργειακή αποδοτικότητα των υπολογιστών τα επόμενα χρόνια.
* Ο Heiner Linke είναι Καθηγητής Νανοφυσικής στο Πανεπιστήμιο Lund του Σουηδίας. Το άρθρο του αναδημοσιεύεται αυτούσιο στο Liberal μέσω άδειας Creative Commons από τον ιστότοπο TheConversation.
