Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde

Meer dan twee procent van het elektriciteitsverbruik wereldwijd komt voor rekening van datacenters. Naar schatting zijn de bijbehorende CO2-emissies net zo hoog als die van de wereldwijde luchtvaart. Nieuwe initiatieven zijn dus hard nodig om de stijgende behoefte aan grondstoffen voor onze informatiemaatschappij duurzaam te dekken. Mogelijkerwijs moeten we zelfs anders kijken naar fundamentele fysische grenzen.

Auteur: Jan Klärs.

Door de digitalisering van onze maatschappij is er een alomtegenwoordige infrastructuur voor informatieverwerking ontstaan. Mobiele telefoons, laptops, computers op de werkplek en intelligente huishoudelijke apparaten zijn de voor iedereen zichtbare onderdelen van deze gigantische informatiemachine. Minder zichtbaar, maar evengoed onmisbaar voor een soepel verloop van al die informatiestromen, is de infrastructuur die nodig is om al deze apparaten te verbinden. Mobieletelefonie- en glasvezelnetwerken maken tegenwoordig een ongekende uitwisseling van informatie mogelijk. Keerzijde van deze ontwikkeling zijn de enorme hoeveelheden energie die deze technologieën verbruiken. Het internetconcern Google heeft berekend dat er met de verwerking van een zoekopdracht net zo veel energie gemoeid is als met een gloeilamp van zestig watt die zeventien seconden brandt. Als men bedenkt dat Google in 2016 ruim 3,29 biljoen zoekopdrachten heeft verwerkt, worden de dimensies van dit voorbeeld duidelijk.

Maar wat gebeurt er met de energie die wordt verbruikt bij de verwerking van zoekopdrachten in een groot serverpark? Het voorbeeld van de gloeilamp geeft ook hier uitsluitsel. Uiteindelijk wordt deze energie in de vorm van warmte aan de omgeving afgegeven. Om deze vrijkomende warmte te kunnen beheersen, moeten serverparken actief worden gekoeld, bijvoorbeeld met koud zeewater [1]. Beter is natuurlijk warmteproductie zo veel mogelijk te voorkomen. Door de voortschrijdende miniaturisering van geïntegreerde halfgeleiderschakelingen is in de afgelopen decennia op dit gebied enorme vooruitgang geboekt. Over het algemeen bestaat de energiedissipatie in een central processing unit (CPU) uit twee bijdragen met ongeveer gelijke grootte: statische verliezen veroorzaakt door lekstromen en dynamische verliezen als gevolg van schakelprocessen (het veranderen van de toestand van logische poorten). Deze veranderingen komen fysisch tot stand door het laden of ontladen van capaciteiten binnen een poort, hetgeen gepaard gaat met energieverlies. De hoeveelheid energie die voor een schakelproces nodig is, is in de laatste decennia met grote sprongen afgenomen. De eerste Intel Pentiumprocessor uit 1994 had een schakelenergie van ongeveer 130 femtojoule, rond 2005 was dat minder dan één femtojoule. Inmiddels ligt de hoeveelheid vereiste energie nog een factor honderd lager, zo rond de tien attojoule.

Lees het volledige artikel in het februarinummer van het NTvN.