فراوری گاز های گلخانه ای با جست و جوی اینترنتی! - وبلاگ پیوست

به گزارش وبلاگ پیوست، با توسعه فناوری های ارتباطات و اطلاعات، افزایش مصرف سوخت های فسیلی و فراوری گاز های گلخانه ای به چالشی جهانی تبدیل شده است.

به گزارش ، جهانی مدرن و حتی به نوعی پسامدرن، به تدریج ما را درگیر چالش هایی می نماید که شاید چند سال پیش کمتر تصوری از آن ها داشتیم. هر روز که سپری می گردد شاهد ظهور یک فناوری نوین مبتنی بر تراشه های محاسباتی هستیم؛ همان پردازشگر هایی که در گوشی موبایل، لپ تاپ، تبلت و... بسیاری از ابزار های نوین وجود دارند و امکانِ پردازش اطلاعات را با سرعت هرچه بیشتر فراهم می نمایند.

این عطش سیری ناپذیر ما برای هرچه سریع تر شدن این ابزار و در عین حال کوچک تر شدن آنها، ظاهرا پایانی ندارد. از دیدن و استفاده از این ابزار های نوین، چه در جهانی سرگرمی و چه به وقت کار و فعالیت، لذت می بریم و پایانی بر این پیشرفت متصور نیستیم. شاید عجیب باشد بدانیم اکنون در حال ورود به مرحله ای هستیم که استفاده از این پردازشگر ها به تدریج با تغییرات آب و هوایی سیاره زمین گره می خورد! اما چگونه چنین چیزی ممکن است؟

اکنون حدود 6 درصد از کل انرژی الکتریکی جهان صرف انجام محاسبات در پردازشگر ها می گردد. طبیعی است برای فراوری انرژی الکتریکی هنوز هم سوخت های فسیلی نقش اساسی ایفا می نمایند. به این ترتیب، بخشی از گاز های گلخانه ای - و از جمله دی اکسیدکربن - ناشی از انرژی الکتریکی فراوریشده برای مصرف در پردازشگر های مختلف است. برای مثال، یک جست وجوی ساده در گوگل یا ارسال یک ایمیل به ترتیب 085/0 گرم و یک گرم گاز دی اکسیدکربن فراوری می نماید!

استفاده از یک گوشی هوشمند در طول یک شبانه روز، معادل فراوری 47 گرم گاز دی اکسیدکربن است. اما نکته دوم قابل تأمل حجم داده هایی است که مبادله می شوند. مثلا در سال 1984 میلادی حجم ترافیک کل جهان در هر ماه فقط 15 گیگابایت بود.

اما در سال 2019 میلادی حجم ترافیک مورد استفاده هفتگی هر یک از ما تقریبا معادل همین مقدار است. پیش بینی می گردد تا پنج سال دیگر حجم ترافیک داده به حدود 21، 10 بایت برسد! به علاوه تا آن زمان، تعداد ابزار های متصل به اینترنت حدود 28 میلیارد دستگاه تخمین زده می گردد. از سوی دیگر، انتظار می رود با ارتقای شبکه های موبایل از نسل چهارم (4G) به نسل پنجم (5G) سرعت دانلود به طور قابل ملاحظه ای افزایش یابد. این همه یعنی مصرف هرچه بیشتر انرژی الکتریکی برای محاسبات.

با این رشد شگرف، بعضی پیش بینی ها حکایت از آن دارند که میزان مصرف انرژی الکتریکی برای محاسبات هم تا پنج سال دیگر به حدود 12 درصد از کل انرژی الکتریکی فراوری شده می رسد. حتی بعضی از محققان نیز با نگاهی نسبتا بدبینانه مقدار انرژی مورد احتیاج برای محاسبات را در پنج سال آینده تا یک پنجم انرژی الکتریکی کل برآورد می نمایند. طبیعی است در چنین شرایطی این سوال اساسی مطرح گردد که آیا اساسا بشر قادر است این میزان انرژی را بدون آسیب رساندن به آب و هوای زمین فراوری کند؟ آیا می توان به فراوری پایدار انرژی الکتریسته تا این میزان امید داشت؟

شرایطی که تا اینجا اشاره کردیم زمانی پیچیده تر می گردد که توجه کنیم همین حالا هم بخش قابل ملاحظه ای از انرژی الکتریکی مصرفی در پردازشگر ها فقط باعث گرم شدن آن ها می گردد. در این صورت چه باید کرد که چنین نگردد؟ اینجاست که علم فیزیک چالش هایی اساسی را پیش می کشد. نخست ببینیم چرا تراشه ها یا همان مدار های مجتمع سیلیکونی که در همه ابزار های محاسباتی مورد استفاده هستند گرم می شوند؟

حتما شنیده اید همه رایانه ها بر مبنای منطق صفر یا یک کار می نمایند. یک ابزار الکترونیکی به نام ترانزیستور با عبور یا عدم عبور جریان الکتریکی چنین منطقی را عملیاتی می نماید. طبیعی است هنگام عبور جریان از یک ترانزیستور بخشی از انرژی آن به گرما تبدیل گردد. حال تجسم کنید یک مدار مجتمع الکتریکی یا همان تراشه سیلیکونی ممکن است از میلیارد ها ترانزیستور تشکیل شده باشد؛ بنابراین عبور جریان الکتریکی از یک تراشه منجر به فراوری گرمای قابل توجهی می گردد. برای بسیاری از ما این تجربه آشنایی است. وقتی لپ تاپی را روی پا قرار می دهیم گرمای ایجاد شده را به وضوح احساس می کنیم. اما چه کار می گردد انجام داد تا گرمای فراوریشده به حداقل برسد؟ پاسخ این سوال اصلا ساده نیست.

در فیزیک شاخه ای به نام ترمودینامیک (یا همان فیزیک گرما) وجود دارد. در این بخش از فیزیک، قوانین حاکم بر فراوری و انتشار گرما مورد بحث قرار می گیرد. به نظر می رسد ترمودینامیک در ارتباط با تراشه های رایانه ای باید مورد مطالعه قرار گیرد. به بیان دیگر، ضروری است محاسباتی انجام شوند تا میزان گرمای فراوری شده در تراشه ها بر اساس محاسباتی که انجام می دهند به دست آید.

محققان بسیاری در این جهت در حال تحقیق اند. حتی ترمودینامیک کلاسیک که مختص سامانه های تعادلی است به شرایط هایی تعمیم داده شده است که به عنوان حالت های غیر تعادلی شناخته می شوند. گام های اولیه در این راستا برداشته شده اند، با این حال هنوز تا دستیابی به محاسبات دقیق طراحی تراشه با کمترین میزان فراوری گرما کار های زیادی باید انجام گردد. از سوی دیگر، تراشه های ساخته شده روز به روز کوچک تر می شوند و تعداد بسیار بیشتری ترانزیستور را در حجم کوچک تری جای می دهند. اما به تدریج به مرحله ای نزدیک می شویم که ترانزیستور ها را نمی توان از حدی بیشتر نزدیک هم قرار گرفته است؛ زیرا گرمای فراوریشده می تواند عملکرد آن ها را تحت تأثیر قرار دهد. دقیقا همین محدودیت های فیزیکی است که باعث می شوند بخش عمده انرژی الکتریکی مصرفی در تراشه ها به گرما تبدیل گردد.

اما شاید برای کاهش مصرف انرژی تراشه ها ضروری است نوع طراحی آن ها کاملا تغییر یابد. مهم تر آن که چرا می توان به دستیابی به چنین هدفی امیدوار بود؟

اَبَررایانه های فعلی مقادیر بسیار عظیمی انرژی الکتریکی مصرف می نمایند؛ به طوری که استفاده از سامانه های سرمایشی برای آن ها ضروری است. این در حالی است که مغز آدمی، به عنوان یک ابررایانه زیستی، فقط با یک سوم انرژی یک لپ تاپ کار می نماید. به همین دلیل است که بعضی از محققان بر این باورند که شاید با نگاهی دقیق تر به سامانه های زیستی بتوانیم به نسل جدیدی از محاسبه گر های فوق العاده سریع دست یابیم که انرژی مصرفی شان بسیار کم باشد. البته این ها فعلا برآورد های نظری است، هر چند پیشرفت هایی هم تا به امروز حاصل شده اند.

در حال حاضر، در ساخت همه مدار های مجتمع از سیلیکون استفاده می گردد. کمترین انرژی لازم برای آن که ترانزیستور ها در این بستر سیلیکونی کار نمایند نسبتا بالاست. استفاده از موادی مثل ژرمانیوم، نانو تیوب های کربن یا گرافن احتمالا می تواند به کاهش مؤثر گرمای فراوریشده یاری شایانی کند.

حتی پیشنهاد شده است از بعضی پدیده های کوانتومی برای تقلیل گرما فراوریشده استفاده گردد. استفاده از سایر رهیافت های انتقال اطلاعات مبتنی بر بعضی خصوصیات کوانتومی، مثل اسپین یا فوتون های نور نیز در دستور کار است. اما بعید است در آینده نزدیک چنین فناوری های نوینی به صورت محصولات تجاری درآیند که بتوانند در کاهش انرژی الکتریکی مصرفی نقش مؤثری ایفا نمایند.

اما بعضی از محققان بر این باورند نسل آینده تراشه ها احتمالا ترکیبی از فناوری های فعلی و دستاورد های نوین خواهند بود. البته به لحاظ مطالعات نظری پیشرفت های انجام شده قابل توجه است؛ ولی نکته کلیدی این است که تبدیل این یافته ها به صورتی که در دسترس همه قرار گیرد کار چندان آسانی نیست. به این ترتیب به نظر می رسد عطش سیری ناپذیر نوع بشر به فناوری های اطلاعاتی و ابزار های مرتبط با آن وارد مرحله ای شده است که دوام پایای آن مستلزم دوراندیشی های جدی است.

منبع: روزنامه جام جم