مشکلات مصرف انرژي که بر سر راه محاسبات بزرگ مقياس قرار گرفته‌اند.
سه راه حل احتمالي وجود دارد: اختصاصي کردن تراشه‌ها، ايجاد اتصال‌هاي ميلي‌ولتي و نصب حافظه‌ي سه بعدي در دهه‌ي اخير متخصصان محاسبات در مقياس بالا پژوهش‌هايي را درباره‌ي ابررايانه‌هايي با قدرت پردازش بسيار بالا، يعني از مرتبه‌ي انجام يک ميليون تريليون عمليات شناور در ثانيه به انجام رسانده‌اند. اکنون محققان به اين نتيجه رسيده‌اند که ساخت چنين ابررايانه‌اي امکان پذير است، اما هزينه‌هاي سرسام آوري دارد.
اريک دبنديکز (Erik DeBenedictis)، يکي از مهندسان کامپيوتر بخش فناوري آزمايشگاه ملي سانديا (Sandia National Laboratories) مي‌گويد: «امروزه ساخت ابررايانه‌هاي بزرگ مقياس غيرممکن نيست. اما مي‌توان گفت چنين رايانه‌اي به براي تأمين انرژي خود به انرژي يک رآکتور هسته‌اي نياز دارد و طبعاً مسئله‌ي مهمي که پيش مي‌آيد، مسئله‌ي هزينه است.»
اگرچه انرژي هسته‌اي سوختي پاک و براي ايالات متحده‌ي امريکا در دسترس است، اما وزارت انرژي اين کشور قصد دارد براي راه‌اندازي اولين ابررايانه‌ي بزرگ مقياس از يک منبع انرژي ديگر استفاده کند. هدف ملي براي ساخت اين رايانه به صورتي طرح ريزي شده که ابررايانه تا سال ۲۰۲۰ آماده شود و توان آن طوري تنظيم شود که بيشتر از ۲۰ مگاوات برق مصرف نکند.
دبنديکز از سال ۲۰۱۲ در مرکز سانديا مشغول بررسي راه حل‌هايي براي نيل به اين هدف بوده است. او اکنون سه مسير پيشنهادي را براي ادامه‌ي پروژه تعريف کرده است که هر کدام ويژگي‌هاي خاص خود را دارند. اتصال‌هاي ميلي ولتي، تراشه‌هاي حافظه‌ي سه بعدي و يا يک ساخت ويژه براي پردازنده‌ي مرکزي سيستم راه‌هايي هستند که دبنديکز آن‌ها را پيشنهاد مي‌کند. البته هر سه راه از نظر سرمايه گذاري ريسک به شمار مي‌روند. زيرا نمي‌توان پيش بيني کرد که آيا اين تکنولوژي‌ها موفق خواهند بود يا نه.
اتصال ميلي ولتي:
محققان در سال‌هاي اخير اميدوار بودند که مانند قانون مور درباره‌ي اندازه‌ي ترانزيستورها، ميزان ولتاژ آن‌ها نيز در طول زمان کمتر و کمتر شود. اما ولتاژ اعمال شده بر ترانزيستورها در دهه‌ي اخير روي مقدار تقريبي يک ولت ثابت باقي مانده است.
الي يابلونوويچ (Eli Yablonovitch)، مهندس کامپيوتر در دانشگاه کاليفرنيا مي‌گويد: «ما از لحاظ نظري مي‌توانيم ولتاژ اعمالي را از مقدار کنوني آن يعني تقريباً 800 ميلي ولت به فقط چند ميلي ولت برسانيم. با کاهش ولتاژ مي‌توانيم به هدف خود درباره‌ي کاهش مصرف انرژي برسيم. اما اين رويکرد در حيطه‌ي علوم نظري است.»
هنوز نمي‌دانيم که آيا مي‌توان طرح اتصال‌هاي ميلي ولتي را پياده کرد يا نه. اما مرکز مطالعاتي يابلونوويچ تصميم دارد چهار راه احتمالي را بررسي کند. اولين راه، استفاده از اثر ميداني تونل‌زني ترانزيستور است. در اين روش از خاصيت تونل‌زني الکترون براي عبور از لايه‌هاي ترانزيستور استفاده مي‌شود. روش دوم، استفاده از حامل‌هاي نانومکانيکي است. مي‌توان با ايجاد جريان‌هاي بسيار ريز برق، مصرف انرژي را پايين آورد. سومين راه استفاده از ذره‌هاي نوري در ابعاد نانو يا همان نانوفوتونيک‌ها است. با بهره گيري از اين ذرات مي‌توان سيم‌هاي فيزيکي را حذف کرده و ارتباط را سرعت بخشيد. روش چهارم هم استفاده از مدارهاي نانومغناطيسي است.
يابلونوويچ روش اتصال‌هاي ميلي ولتي را دنبال مي‌کند و اميدوار است بتواند نشان دهد که قانون مور درباره‌ي ولتاژها نيز صدق مي‌کند. او تخمين مي‌زند که با پياده کردن سيستم اتصال‌هاي ميلي ولتي بر ابر رايانه‌ي بزرگ مقياس، مي‌توان بهره وري انرژي را ده تا صد برابر افزايش داد.
حافظه‌ي سه بعدي:
وزارت انرژي ايالات متحده تصميم دارد سي درصد از بودجه‌ي ساخت ابررايانه را به ساخت حافظه‌ي آن اختصاص دهد. با چنين بودجه‌اي مي‌توان برجي از تراشه‌هاي سه بعدي حافظه DRAM ساخت و آن‌ها را نزديک به پردازشگر تعبيه کرد. چنين چيدماني به معناي اتصال‌هاي کوتاه تر بين واحدها است و انرژي کمتري در ميان خازن‌ها و مقاومت‌ها در هنگام انتقال بيت‌هاي داده هدر مي‌رود. نتيجتاً ارتباط با سرعت بيشتري انجام مي‌شود.
رابرت پاتي ( Robert Patti)، مشاور رئيس جمهور در طراحي و مهندسي پروژه‌ي نيمه رساناي تزارون (Tezzaron) که با حکومت مرکزي ايالات متحده در پروژه‌هاي نيمه‌هادي‌ها همکاري دارد، مي‌گويد: «حافظه‌هاي انباشته‌ي سه بعدي به تازگي رونق خوبي در دنياي فناوري پيدا کرده‌اند. تا قبل از سال ۲۰۱۱ اين نسل از حافظه‌ها در ابزارهاي الکترونيکي ديده نمي‌شدند. از آن زمان تاکنون سازندگان تراشه‌هاي بزرگ و با ظرفيت بالا در حال طراحي و توسعه‌ي تراشه‌هاي سه بعدي کارآمدتر و به روزتر هستند.»
تزارون در حال حاضر در ساخت تراشه‌هاي حافظه‌ي سه بعدي پيشتاز است. اين گروه موفق شده حافظه‌هايي بسازد که توان برقراري ارتباط ميان لايه‌اي بيشتري دارند و هزينه‌ي تمام شده‌ي ساخت آن‌ها هم پايين تر از مدل‌هاي مشابه است. پاتي دراين باره مي‌گويد: «اين يکي از موفق ترين بخش‌هاي ساخت ابررايانه خواهد بود. زيرا همزمان با کاهش هزينه‌ها، سرعت عملکرد نيز بالا مي‌رود.»
ابررايانه‌ي در حال ساخت نمي‌تواند خيلي متکي بر حافظه‌ي DRAM باشد. زيرا اين حافظه فقط در حال کار و هنگامي که سيستم فعال است اطلاعات را ذخيره مي‌کند. اگر سازندگان ابررايانه بخواهند از حافظه‌ي سه بعدي استفاده کنند، لاجرم بايد نرم افزارهاي تازه‌اي براي آن تعريف کنند. با گذر از اين مرحله مي‌توان به مرحله‌اي رسيد که حافظه‌ي ابر رايانه‌ي بزرگ مقياس را قابل قبول و کارآمد خواند.
اختصاصي کردن تراشه‌ها:
اضافه کردن هسته‌هاي پردازنده‌اي که هر کدام طراحي شده‌اند تا اپليکيشن‌هاي خاصي را اجرا کنند مي‌تواند به کاهش مصرف انرژي ابرکامپيوتر کمک کند. با اين کار هر تراشه فقط هنگامي کار مي‌کند که کاربر به آن نياز داشته باشد و در صورت عدم استفاده از اپليکيشن، تراشه نيز غيرفعال باقي مي‌ماند. البته اين پردازنده‌هاي تخصصي نياز دارند که برنامه نويسان برنامه‌هاي مناسب را برايشان طراحي کنند تا عملکرد مؤثر و بهينه‌اي داشته باشند.
دبنديکز به اين روش بسيار خوشبين است و مي‌گويد: «احتمالاً اين نوع تراشه‌ها بخش اصلي ابررايانه‌هاي آينده خواهند بود. زيرا هزينه‌ي ساخت آن‌ها کمتر است و استفاده از تراشه‌هاي تخصصي مي‌تواند کيفيت عملکرد ابرکامپيوتر را بهبود ببخشد.»
منیع:
منابع مفید:
SciDAC
Tunneling Effect Transistors
The Next Platform
asme.org
Rebooting Supercomputing