Het internet der dingen kan de levenskwaliteit verbeteren, maar het zal ook enorme hoeveelheden elektriciteit verbruiken en de uitstoot van broeikasgassen verhogen. (Shutterstock)
Your smartphone is veel krachtiger dan de NASA-computers die Neil Armstrong en Buzz Aldrin in 1969 op de maan zetten, maar het is ook een energievarken. In de informatica wordt energiegebruik vaak als een secundair probleem van snelheid en opslag beschouwd, maar met de snelheid en richting van technologische vooruitgang wordt het een groeiend probleem voor het milieu.
Toen het cryptocurrency-mijnbedrijf Hut 8 het grootste bitcoin-mijnbouwproject van Canada buiten Medicine Hat, Alta, opende, sloegen milieuactivisten alarm. De fabriek verbruikt 10 keer meer elektriciteit, grotendeels geproduceerd door een aardgasgestookte elektriciteitscentrale, dan elke andere faciliteit in de stad.
Wereldwijd zijn broeikasgasemissies (BKG) van de sectoren informatie, communicatie en technologie (ICT) naar verwachting het equivalent van 1.4 gigaton (miljard ton) koolstofdioxide jaarlijks tegen 2020 bereiken. Dat is 2.7 procent van de wereldwijde broeikasgassen en ruwweg het dubbele van de totale jaarlijkse uitstoot van broeikasgassen in Canada.
Door energiezuinige computerprocessors te ontwerpen, kunnen we het energieverbruik verminderen en de uitstoot van broeikasgassen verminderen op plaatsen waar elektriciteit uit fossiele brandstoffen komt. Als een computeringenieur die gespecialiseerd is in computerarchitectuur en rekenen, hebben mijn collega's en ik er alle vertrouwen in dat deze positieve effecten kunnen worden bereikt met vrijwel geen invloed op computerprestaties of gebruikersgemak.
Krachtige verbindingen
Het Internet of Things (IoT) - bestaande uit de verbonden computerapparatuur ingebed in alledaagse objecten - levert nu al positieve economische en sociale effecten op en transformeert onze samenlevingen, het milieu en onze voedselvoorzieningsketens ten goede.
Deze apparaten bewaken en verminderen luchtvervuiling, verbeteren het waterbehoud en voeden een hongerige wereld. Ze maken ook onze huizen en bedrijven efficiënter, regelen thermostaten, verlichting, boilers, koelkasten en wasmachines.
Op internet aangesloten apparaten dragen bij aan de gegevensverwerking en het energieverbruik. (Shutterstock)
Met het aantal aangesloten apparaten bovenaan 11 miljard - exclusief computers en telefoons - in 2018 maakt IoT big data waarvoor enorme berekeningen nodig zijn.
Het efficiënter maken van berekeningen zou geld besparen en het energieverbruik verminderen. Het zou ook mogelijk maken dat de batterijen die stroom leveren in computersystemen kleiner worden of langer meegaan. Bovendien kunnen berekeningen sneller worden uitgevoerd, zodat computersystemen minder warmte genereren.
Geschatte computergebruik
De computersystemen van vandaag zijn ontworpen om exacte oplossingen te leveren tegen hoge energiekosten. Maar veel foutbestendige algoritmen zoals beeld-, geluids- en videoverwerking, datamining, sensorgegevensanalyse en diep leren vereisen geen exacte antwoorden.
Deze onnodige nauwkeurigheid en overmatig energieverbruik zijn verspillend. Er zijn beperkingen aan de menselijke perceptie - we hebben niet altijd 100 procent nauwkeurigheid nodig om tevreden te zijn met het resultaat. Kleine veranderingen in de kwaliteit van afbeeldingen en video's blijven bijvoorbeeld vaak onopgemerkt.
Videoverwerkingstoepassingen vereisen geen 100 procent nauwkeurigheid. (Shutterstock)
Computersystemen kunnen profiteren van deze beperkingen om het energieverbruik te verminderen zonder een negatieve invloed op de gebruikerservaring te hebben. "Geschatte computing" is een berekeningstechniek die soms onnauwkeurige resultaten oplevert, waardoor het nuttig is voor toepassingen waarbij een geschat resultaat voldoende is.
In het computer engineering lab van de Universiteit van Saskatchewan stellen we voor deze benaderende computeroplossingen te ontwerpen en te implementeren, zodat ze de nauwkeurigheid en efficiëntie tussen software en hardware optimaal kunnen inruilen. Toen we deze oplossingen toepasten op een kerncomponent van de processor, zagen we dat het stroomverbruik daalde meer dan 50 procent met bijna geen prestatievermindering.
Flexibele precisie
Tegenwoordig bevatten de meeste pc's een 64-bits standaard numeriek formaat. Dit betekent dat ze een getal met 64 cijfers (nul of één) gebruiken om alle berekeningen uit te voeren.
3D-graphics, virtual reality en augmented reality vereisen het 64-bits formaat om te werken. Maar elementaire audio- en beeldverwerking kan worden gedaan met een 32-bits indeling en biedt nog steeds bevredigende resultaten. Bovendien kunnen deep learning-toepassingen zelfs gebruiken 16-bit of 8-bit formaten vanwege hun foutbestendigheid
Innovatieve ontwerpen in computerhardware en -software kunnen de energie-efficiëntie verbeteren. (Shutterstock)
Hoe korter het numerieke formaat, hoe minder energie wordt gebruikt om de berekening uit te voeren. We kunnen flexibele, maar toch precieze computeroplossingen ontwerpen die verschillende applicaties draaien met behulp van het meest geschikte numerieke formaat, zodat het energie-efficiëntie bevordert.
Een toepassing voor diep leren die deze flexibele computeroplossing gebruikt, zou bijvoorbeeld het energieverbruik met 15 procent kunnen verminderen, volgens ons voorlopige experiment. Bovendien kunnen de voorgestelde oplossingen opnieuw worden geconfigureerd om gelijktijdig meerdere bewerkingen uit te voeren die een lage numerieke precisie vereisen en de prestaties te verbeteren.
Het IoT houdt veel belofte in, maar we moeten ook nadenken over de kosten van het verwerken van al deze gegevens. Met slimmere, groenere processors kunnen we helpen om milieuproblemen aan te pakken en hun bijdragen aan klimaatverandering te vertragen of te verminderen.
Over de auteur
Seokbum Ko, professor, Universiteit van Saskatchewan
Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanaf The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees de originele artikel.
