Terugrekenen stopt energiegebruik

Share Button

Goed nieuws voor hen die zich zorgen maken over het exploderende energiegebruik van stroomvretende computers en serverparken. Omkeerbare rekenlogica kan in theorie het energieverbruik van een computer terugbrengen tot nul. Helaas zitten er nog heel wat haken en ogen aan het in de praktijk brengen van dit idee, maar de gevolgen zouden enorm verstrekkend zijn. Ook in de verre toekomst. Leven kan dan namelijk bestaan zonder energieverbruik…

Computers slechts voor 0,000001% efficiënt
Op dit moment is de discussie academisch. Op dit moment wordt slechts een honderdmiljoenste deel (dat is een één met acht nullen er achter) van het totale vermogen van een computer gebruikt om de daadwerkelijke berekening te produceren. De rest is in feite overbodig: weerstand, bewegende mechanische onderdelen en dergelijke.

Rekenen, wanorde en warmte

Informatie staat gelijk aan wanorde (entropie, zegt een natuurkundige). Een maat voor wanorde is namelijk hoeveel informatie je nodig hebt om een systeem te beschrijven.
Je kan een bak met een laag van duizend witte knikkers onder een laag van duizend zwarte knikkers in minder woorden precies beschrijven dan een bak waarin de zwarte en witte knikkers lukraak door elkaar liggen. Anders geformuleerd: stel dat je bak met knikkers een bepaalde boodschap bevat, bijvoorbeeld in morse-code. waarbij één zwarte knikker staat voor een punt en twee zwarte knikkers voor een streep.  Hoe langer de boodschap in je bak, hoe wanordelijker de knikkers door elkaar lijken te liggen.
Het verband gaat nog dieper: de entropie is maximaal als je je informatie optimaal gecomprimeerd hebt. Vandaar dat het begrip entropie niet alleen in de natuurkunde, maar ook in de informatietechniek opduikt.

Vallende suikerkorrel drijft pc aan

Hoe kleiner computers worden, hoe dichter de thermodynamische limiet wordt benaderd, dus een hoe groter percentage van alle energie die een computer gebruikt, daadwerkelijk in een berekening terecht komt. Stel je bereikt die limiet, dan kan je een computer met het rekenvermogen van een moderne pc laten lopen op minder dan een microwatt vermogen (het vermogen dat nodig is om een flinke suikerkorrel in de lucht te houden). Je zou dan door te trappen op een hometrainer een tiende van alle pc’s in de hele wereld van energie kunnen voorzien.

De enorme supercomputer Columbia van NASA slurpt nu nog megawatts aan energie. Dit wordt anders, stellen informatietheoretici Himanshu Thapliyal en Nagarajan Ranganathan.

De enorme supercomputer Columbia van NASA slurpt nu nog megawatts aan energie. Dit wordt anders, stellen informatietheoretici Himanshu Thapliyal en Nagarajan Ranganathan.

Gratis berekening
Dit is natuurlijk al heel mooi, maar van een nieuwe theoretische doorbraak van informatietheoretici Himanshu Thapliyal en Nagarajan Ranganathan (universiteit van Zuid Florida)  zijn de gevolgen pas echt hallucinerend.

Houd je vast. Je kan namelijk het energieverbruik terugbrengen tot precies de informatieinhoud van het eindresultaat door vanuit alle resultaten waar je niets aan hebt, weg te gooien. Ja, u leest het goed. Een energietechnisch gezien gratis berekening. Vergelijk het met een magische fabriek waar je afval ingooit en kant en klare auto’s, kleding en huisraad voor terugkrijgt (en alleen het energieverschil tussen het afval en de producten hoeft te betalen).

Terugrekenen en logisch omkeerbare poorten
Het geheim: inverse computing, terugrekenen. Dat kan met omkeerbare logische poorten (logische poorten zijn de basiselementen van iedere computer).

Op dit moment bestaan die omkeerbare poorten (m.u.v. de NOT-poort) nog niet. Een eis aan een omkeerbare poort is dat deze geen informatie weggooit. Standaard logische poorten zoals die in bestaande computers (bijvoorbeeld een OR-poort, die ‘waar’ zegt als ingangssignaal 1 of ingangssignaal 2 waar zijn) gooien informatie weg: stel je weet dat een OR-poort ‘waar’ zegt, dan weet je niet of de poort ja zegt omdat ingangssignaal 1 waar is of omdat inganggsignaal 2 waar is. Die informatie is verloren gegaan, weggegooid. Je kan dan niet meer terugrekenen. Al onze bestaande poorten gooien informatie weg en zijn dus onbruikbaar voor reverse computing.

Logische poorten
De computers zoals wij ze kennen doen in feite niets anders dan bits, die elk bestaan uit een nul of een één, met elkaar vergelijken. Dat vergelijken gebeurt in logische poorten. In de chips van een pc zitten er vijf: AND, OR, NOT, XOR en XNOR.
Een AND (en)-poort geeft een 1 (waar) als de eerste en de tweede bit allebei 1 (waar) zijn. Anders een nul (onwaar).
Een OR (of)-poort geeft een 1 als de eerste bit, de tweede bit of allebei bits 1 zijn.
Een XOR (exclusive OR, wat wij in het dagelijks leven met ‘of’ bedoelen)  geeft een één als de eerste bit verschilt van de tweede bit (dus nul en een of een en nul), anders een nul.
De XNOR (exclusive not or) geeft juist een 1 als beide bits aan elkaar gelijk zijn en anders een nul.
De NOT-poort, tenslotte, kent maar één bit als invoer en keert die om. Dus nul wordt één en andersom. Bij alle poorten met uitzondering van NOT wordt er dus informatie weggegooid, je kan niet terugrekenen.

Foutcorrectie
Door de beginwaarden terug te berekenen van het eindresultaat kan wordt getoetst of de berekening wel klopt. Dat kan met inverse logische poorten. Goed nieuws is dat voor kwantumcomputers inverse poorten toch al vereist zijn. Het lijkt er dus op dat met de komst van kwantumcomputers we foutcorrectie en nul energieverbruik gratis meekrijgen.

Verre toekomst
Als alle sterren zijn opgebrand en er nauwelijks of geen vrije energie meer is, kan intelligent leven dus toch nog voortbestaan. In deze virtuele wereld zou het ervaren doorgaan alsof we nog in een reële wereld leven. Wel voor een prijs: er zou gemeten over de tijd niets veranderen, de kwantumstaat zou altijd hetzelfde blijven. Het leven zou voor eeuwig slapen tot het door een bepaald proces, een reiziger uit een ander heelal misschien, uit zij slaap wordt gewekt.

Share Button

Germen

Hoofdredacteur en analist (Visionair.nl) Expertise: biologische productiesystemen (master), natuurkunde (gedeeltelijek bachelor), informatica

Dit vind je misschien ook interessant:

3 reacties

  1. johan hermans schreef:

    me dunkt dat er wat lichtjes wordt omgesprongen met zulke theoriën; als ik het goed begrijp komt het erop neer dat als je de uitkomst kent, je dan alle berekeningen die een andere uitkomst geven niet nodig hebt en dus hierop bespaard. maar blijkbaar vergeet er iemand dat je eerst wel de uitkomst moet hebben; die zal je nooit hebben als je niet eerst de berekening doet. ik wil maar zeggen, als je god bent en alle antwoorden kent, hoef je natuurlijk geen enkele moeite te doen om de uitkomst te berekenen, maar gezien wij het nog niet zijn (en pc’s ook niet), zijn we wel verplicht om stap voor stap alle berekeningen te doen om tot de uitkomst te komen. eigenlijk zou je de pc dan herleiden tot een database met alle antwoorden, waardoor de berekeningen gewoon worden weggelaten, maar dan heb je weer meer storage nodig!

    • Barry schreef:

      Johan Hermans,

      Je gaf met je reactie een perfect staaltje logica waarin je de kern van het artikel weergaf. Wat niet in het artikel stond vermeld was dat de mens al zolang als ze kunnen schrijven al statistieken bijhouden ter vereenvoudiging van informatie om juist overbodige informatie weg te kunnen laten. De terugrekenformules zijn hieruit ontstaan. Dat betekent dus simpelweg dat nog voordat computers bestonden de mens eigenlijk al aan het terugrekenen is en dat dit een proces is die nooit meer is gestopt. Door onze technologische vooruitgang is de terugrekenformule ingewikkelder geworden.

      Dat het stroomverbruik van computers terug te brengen is tot nul is idd mogelijk maar dan moeten alle computers ter wereld omgebouwd worden naar de nieuwste technieken zoals computers die lopen op licht. Als je het letterlijk hebt over het energieverbruik terugbrengen naar nul (energie is niet perse stroom) dan is het niet mogelijk of je moet de pc gewoon uitzetten. Sterker nog, zelfs als je de pc uit het stopcontact trekt zal hij nog energie blijven verbruiken omdat op de meeste moederborden nog een batterij zit die een stuk geheugen intact laat houden gedurende de tijd dat die batterij nog stroom bevat. Ik neem aan dat dit onderwerp 1 van de haken en ogen is die aan deze terugrekenformule zit.

  2. Alfa schreef:

    Althans in theorie zou je kunnen stellen, dat we dan te maken hebben met een kwantum godcomputer.

Geef een reactie

Advertisment ad adsense adlogger