0
11075
Газета Интернет-версия

24.09.2024 18:19:00

Обратная сторона информационного взрыва

Через 20–25 лет дата-центры станут основными потребителями электроэнергии в мире

Олег Сосунов

Об авторе: Олег Глебович Сосунов – заведующий лабораторией перспективных материалов и технологий Института силовой электроники НГТУ.

Тэги: микроэлектроника, компьютеры, технологии, энергия, электроэнергия, связь, трафик, интернет


микроэлектроника, компьютеры, технологии, энергия, электроэнергия, связь, трафик, интернет Уже сегодня практически весь интернет раздается «по воздуху». А лет через 20 вся обработка трафика переместится даже не на базовые станции, а в дата-центры. Иллюстрация создана нейросетью Kandinsky 3.0

Через 20–25 лет произойдет то, что можно назвать информационным взрывом. При этом речь идет не о росте числа публикаций в интернете, а о катастрофическом, в несколько тысяч раз, росте абонентского трафика (см. статью автора «Грядущая катастрофа в микроэлектронике», «НГ-наука», 26.06.24). Логика информационного взрыва очевидна.

Трафик всему голова

Подобно эмпирическому закону Мура, согласно которому количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца, существует закономерность, характеризующая динамику роста трафика в системах связи. Абонентский трафик в мире ежегодно увеличивается в среднем не менее чем в 1,5 раза. И Россия не исключение.

При этом объем абонентского беспроводного трафика сегодня уже превышает объем абонентского проводного трафика и растет в 1,2 раза быстрее, чем объем проводного трафика. А поскольку домашний, офисный и публичный трафик Wi-Fi входит в общий объем, но не учитывается в составе беспроводного абонентского трафика, практически весь интернет раздается «по воздуху».

Можно экстраполировать этот результат и получить оценку роста трафика за последующие 20 лет. При ежегодном росте в 1,5 раза за 10 лет трафик увеличится в 57 раз и соответственно за 20 лет в 3300 (3,3×103) раз. И это объективный процесс!

Учитывая приведенные оценки, можно не сомневаться, что информационный трафик между абонентом и базовой станцией и между абонентами возрастет в ближайшие 20 лет в несколько тысяч раз. В итоге с освоением полосы радиочастот 71–102 ГГц объем абонентского трафика увеличится в несколько тысяч раз.

Как пролезть в «терагерцевую щель»

Твердотельные приборы неэффективны для работы в «терагерцевой щели» 100 ГГц – 1 ТГц (1011–1012 Гц) в силу объективно существующих для них физических ограничений.

Скорость дрейфа электронов в полупроводниках относительно низкая, на три-четыре порядка ниже, чем в вакууме. С ростом частоты растет сдвиг по фазе между входным и выходным сигналами, вследствие чего на высоких частотах катастрофически снижается коэффициент усиления транзистора. Казалось бы, что мешает уменьшить длину канала, чтобы сократить время пробега электрона по каналу и увеличить тактовую частоту полупроводникового транзистора? Однако при уменьшении длины канала с ростом частоты катастрофически растут токи утечки. И это в десятки раз снижает коэффициент полезного действия (КПД) транзистора.

Скорость дрейфа электронов в вакууме достаточно высокая, чтобы обеспечить работу электровакуумных приборов на частотах до 100 ГГц и выше с достаточно высоким КПД. Однако их широкое применение ограничено препятствием на пути к миниатюризации – отсутствием так называемых холодных (автоэмиссионных, с низкой работой выхода, около 1 эВ и менее) катодов. Это не позволяет на их основе создавать в терагерцевом диапазоне активные фазированные антенные решетки (АФАР) и передатчики для компактных абонентских устройств, а также микросхемы для вычислительной техники с тактовыми частотами 1 ТГц.

Возможность создания холодного катода появилась с открытием нового материала – электрида (в научной литературе – C12A7: e). Это создает предпосылки для революционного прорыва в микроэлектронике, в первую очередь в мобильной связи, в полосах радиочастот «терагерцевой щели».

В итоге, подобно тому как толчком к массовому распространению цифровой мобильной связи послужило создание в 1979 году аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) в виде интегральной схемы, толчком к освоению полос радиочастот 71–102 ГГц и выше будет служить транзистор с вакуумным каналом с автоэмиссионным катодом в микроисполнении – микротриод.

Такой микротриод станет основой устройств, позволяющих работать в «терагерцевой щели» с высоким, 60–70%, КПД. А кроме того, позволит реализовать усиление радиосигнала на приеме за счет параметрического резонанса, без применения АЦП, что даст возможность компактным мобильным устройствам обрабатывать сигналы с шириной полосы 3–5 ГГц и более в реальном времени.

Над созданием микроэлектровакуумных приборов сегодня работают все ведущие производители электронных компонентов (Samsung, Toshiba, SK Hynix, Hewlett Packard, Intel, Micron, Texas Instruments, Sony, Fujitsu и др.). Создание таких приборов заявлено как основной приоритет в программах технологического развития США, Южной Кореи, Финляндии, Японии, Германии, Великобритании, Индии, Китая.

В лабораторном варианте такие приборы уже существуют, причем не отстают и российские разработчики. В частности, с участием специалистов ряда научных учреждений и высших учебных заведений Новосибирска планируется изготовить опытные образцы таких приборов и провести испытания до конца 2025 года. Через 7–10 лет такие приборы появятся в промышленном исполнении, а через 15–20 лет они станут основой средств связи и вычислительной техники.

Мало ваттов

Самым существенным последствием информационного взрыва будет то, что через 20–25 лет информационный сектор станет основным потребителем электроэнергии в мире. Примерная оценка роста потребления электроэнергии информационным сектором через 20–25 лет выглядит следующим образом.

Как уже отмечено выше, с освоением через 20 лет мобильной связью полосы радиочастот 71–102 ГГц основной составляющей абонентского трафика станет стерео- (объемное) видение. Так как среднее число операций в алгоритмах сжатия трехмерного потокового видео пропорционально 3-й степени числа входных данных (пикселей, точек), с ростом абонентского трафика или трафика с удаленного терминала в 103 раза, число операций по обработке информации (сжатию потокового видео) возрастет более чем в 109 раз.

С применением в будущем таких устройств, как универсальная память и транзистор с вакуумным каналом, энергопотребление из расчета на бит обрабатываемой информации можно будет снизить за счет: роста тактовой частоты, применения архитектуры «процессор в памяти» и использования распределенного (матричного) синхронизированного генератора тактовой частоты – в общей сложности примерно в 106 раз. В итоге затраты мощности на обработку единицы информации возрастут не менее чем в 103 раза. Следовательно, во столько же раз возрастет энергопотребление информационного сектора.

Любопытно в связи с этим оценить абсолютный рост энергопотребления информационного сектора. В мире сегодня около 20 млрд подключений и более 6 млрд активных абонентских устройств, в основном смартфоны, планшеты и ноутбуки.

Современный смартфон потребляет в среднем 12–15 Вт-ч электроэнергии в сутки или 4–5 кВт-ч в год. Из них 50% тратится на обработку информации. Соответственно 6 млрд смартфонов потребляют 30 ТВт-ч электроэнергии в год, из них около 15 ТВт-ч тратится на обработку информации.

С учетом этого через 20 лет затраты на обработку информации 6 млрд абонентских устройств и примерно таким же количеством удаленных автономных терминалов должны составить не менее 30 000 ТВт-ч электроэнергии в год. Это больше, чем все современное производство электроэнергии – 27 000 ТВт-ч в год.

При этом каждое абонентское устройство, с учетом затрат на обработку информации, а также затрат на электропитание передатчика, должно потреблять примерно 6–7 кВт-ч электроэнергии в сутки. А значит, его потребляемая мощность составит около 0,3 кВт, что выглядит безумием и с точки зрения здоровья абонента, и с точки зрения веса аккумуляторов.

Чтобы все это не выглядело абсурдом, можно предположить – и, вероятнее всего, так и будет, – что вся обработка трафика переместится даже не на базовую станцию, а в дата-центр. На абонентском устройстве останутся только функции управления и визуализации. Дата-центры будут расти вокруг мегаполисов, как грибы после дождя, что уже сейчас заметно.

В итоге, основными потребителями электроэнергии в мире станут именно они – дата-центры. Они будут потреблять более 50% всей производимой электроэнергии, так как за 20 следующие лет человечество, по минимальным оценкам, удвоит потребление электроэнергии.

Таким образом, можно утверждать, что через 20–25 лет в результате катастрофического роста энергопотребления информационный сектор станет основным потребителем электроэнергии в мире и доминирующим сектором мировой экономики. 

Новосибирск


Читайте также


Почему новую разведслужбу Мексики называют аналогом ЦРУ

Почему новую разведслужбу Мексики называют аналогом ЦРУ

Сергей Никитин

Национальный разведывательный центр будет выполнять широкий спектр задач

0
1131
Константин Ремчуков. Си Цзиньпина в поездке на саммит АТЭС в Перу сопровождали 400 чиновников и бизнесменов

Константин Ремчуков. Си Цзиньпина в поездке на саммит АТЭС в Перу сопровождали 400 чиновников и бизнесменов

Константин Ремчуков

Мониторинг ситуации в Китайской Народной Республике по состоянию на 18.11.24

0
1525
Иркутские власти поспорили с федеральными из-за тарифов

Иркутские власти поспорили с федеральными из-за тарифов

Глеб Тукалин

В регионе недовольны мерами правительства против серых майнеров

0
6097
Ученые и эксперты разложили детство по полочкам

Ученые и эксперты разложили детство по полочкам

Наталья Савицкая

На конференции в Москве обсудят Концепцию воспитания ребенка в семье и международный опыт в этой сфере

0
6803

Другие новости