Groene ICT van de toekomst

Redactie

Het energieverbruik van computers loopt al jaren flink op. De Nijmeegse hoogleraar Spectroscopie Theo Rasing probeert bij te dragen aan een oplossing voor dit probleem. ‘De huidige computerchips gebruiken veel meer energie dan noodzakelijk is. Daar valt een enorme energiewinst te behalen.’

Tekst: Chiel Nijhuis
Foto's: Sonia Verdiesen

Dit artikel verscheen eerder in de derde editie van ANS.

Tegenwoordig slaan we enorme hoeveelheden data van onze mobiele telefoons op in de cloud. Dit zorgt voor een nieuw klimaatprobleem. De datacenters die al deze gegevens moeten verwerken, gebruiken gigantisch veel energie. Facebook bouwt nu al datacenters op de poolgrens, zodat met koude lucht de apparatuur efficiënt kan worden gekoeld. De Nijmeegse hoogleraar Spectroscopie Theo Rasing hoopt dat zijn studie naar magnetisme zal bijdragen aan de verduurzaming van dataopslag.

Voor zijn onderzoek naar het omschakelen van magnetische polen met behulp van laserlicht ontving Rasing in 2008 de prestigieuze Spinozapremie. Deze ontdekking kan grote gevolgen hebben voor de techniek van dataopslag. Een harde schijf is immers niet veel meer dan een aaneenschakeling
van microscopisch kleine magneten. Door de polen van deze magneten met laserstralen om te schakelen, wordt dataopslag niet alleen sneller, maar gaat het energieverbruik omlaag. Tevens is Rasing bezig met een nieuw onderzoek naar een op het brein geïnspireerde processor, waarmee hij hoopt de ICT nog verder te verduurzamen. Het kan nog wel twintig jaar duren voordat deze nieuwe processor in gebruik kan worden genomen, maar Rasing schrikt hier niet voor terug. ‘Ik ben geen fan van sciencefiction: als ik dacht dat deze ontwikkeling niet mogelijk was, zou ik er niet aan zijn begonnen.’

Waarom moet het energieverbruik van computers omlaag?
‘Tot dit inzicht ben ik niet van de ene op de ander dag gekomen. Ons onderzoek naar het effect van licht op een magneet was er in de eerste plaats op gericht om de polen sneller te laten schakelen van noord naar zuid. Pas later bleek dat het omschakelen van een magneet met licht ook veel minder energie kost dan met de huidige techniek, waarbij gebruik wordt gemaakt van een andere magneet.

Theoblijstaand'Twee ontwikkelingen hebben mij laten inzien dat de energiewinst die met deze techniek kan worden behaald veel interessanter is dan de snelheid waarmee tussen polen kan worden geschakeld. Ten eerste kwam ik erachter dat datacenters nu al meer dan 5 procent van alle elektrische energie op aarde gebruiken en dat deze gigantische vraag naar stroom ook nog eens met 7 procent per jaar toeneemt. Het tweede punt dat mij deed beseffen dat we een radicaal andere techniek nodig hebben, is dat Moore’s Law niet meer geldt. Simpel gezegd houdt dit in dat de snelheid van computerchips niet langer elk jaar verdubbelt. Computerchips zijn namelijk niet erg efficiënt; een groot deel van de gebruikte energie wordt omgezet in warmte. Computerchips zouden bij hogere snelheden gewoonweg doorbranden.’

‘Ook computerchips verbruiken meer energie dan noodzakelijk is.’

Is de nieuwe techniek die u heeft ontwikkeld, voldoende om het hoge energieverbruik van elektronica op te lossen?
‘Met de huidige techniek kost het ongeveer een nanojoule aan energie om de polen van een magneet om te schakelen. Dat lijkt weinig maar als je denkt aan de miljarden bits, eigenlijk kleine magneten, die in een harde schijf zitten, lopen de energiekosten aardig op. Het omschakelen van een magneet met licht kost niet veel meer dan enige femtojoules. Deze methode kan het verbruik dus verminderen met een factor 10-6 wat een een enorm verschil is. Hoewel dit een grote stap voorwaarts is, lost dit het energieprobleem waar de ICT mee kampt niet in zijn geheel op. Dataopslag is namelijk niet de enige boosdoener; ook computerchips verbruiken meer energie dan noodzakelijk is. Daar valt nog een enorme energiewinst te behalen.’

Hoe wilt u het energieprobleem van computerchips aanpakken?
‘Tijdens mijn colleges gebruik ik vaak het voorbeeld van een rattenbrein. Dat brein is ongeveer net zo krachtig als een supercomputer, terwijl het slechts 10 milliwatt aan energie nodig heeft. Een supercomputer verbruikt daarentegen 10 megawatt. Dat is dus een enorm verschil in energieverbruik. Hoewel ik dit voorbeeld al jaren gebruik, ben ik mij pas recentelijk gaan afvragen of het mogelijk is om een op het brein geïnspireerde processor te bouwen. In de huidige computers is het geheugen gescheiden van de processor, die het reken- werk doet. Alleen het op en neer sturen van data tussen het geheugen en de processor kost al veel energie. In het brein zijn het geheugen en de processor juist een geheel, waardoor informatie minder op en neer wordt gestuurd. Daarnaast is het brein interessant als startpunt van het onderzoek omdat de synapsen, de informatiebanen waaruit hersenen grotendeels zijn opgebouwd, kunnen leren. Dat wil zeggen dat een synaps die vaak wordt gebruikt makkelijker informatie doorlaat dan een synaps die zelden wordt gebruikt.

‘Wij hopen binnen vier jaar al een demonstrator klaar te hebben.’

'Een nieuw type processor die deze eigenschappen van het brein nabootst, zal daarom veel minder energie nodig hebben. De ontwikkeling hiervan vraagt echter om een interdisciplinaire aanpak. Zelf weet ik namelijk niet precies hoe een brein werkt. Daarom heb ik contact gezocht met Peter Hagoort, de directeur van het Nijmeegse Donders Instituut voor neurowetenschappen. Samen met hem en andere wetenschappers houd ik eens in de twee weken een brainstormsessie waarin wij ons afvragen hoe een processor kan worden gebouwd die is gebaseerd op het brein.’

Hoe lang denkt u dat het duurt voordat u een werkend prototype van deze processor klaar heeft?
‘Het gaat hier om fundamenteel theoretisch en experimenteel onderzoek waarvan ik verwacht dat het pas op de lange termijn iets oplevert. Hoewel het duidelijk is dat het energieverbruik van computers tegen zijn grenzen aanloopt, en er continu nieuwe inzichten en nieuwe materialen worden ontdekt, duurt het nog wel tien of twintig jaar voordat we het probleem helemaal hebben opgelost. Aan de andere kant wordt er op verschillende plekken ter wereld gewerkt aan een oplossing. Daardoor zou de ontwikkeling van een energiezuinige processor in een stroomversnelling kunnen raken.

'Het onderzoek staat nog in de kinderschoenen. Ik probeer nu vooral wetenschappers van verschillende disciplines, zoals neurowetenschappers en natuurkundigen met elkaar in contact te brengen. Door deze samenwerking kunnen we hopelijk op de lange termijn met oplossingen komen. Mijn bijdrage aan het onderzoek naar het optisch schakelen van magneten is verder gevorderd. Wij hopen binnen vier jaar al een demonstrator klaar te hebben waarin acht bits door middel van licht geschakeld worden. Dat lijkt weinig, maar als wij laten zien dat een klein aantal bits energiezuinig kan worden geschakeld, kan de industrie hiermee verder aan de slag. Chipfabrikanten zoals Intel kunnen dan op de techniek voortbouwen en het aantal bits opschalen.’

Theoliggendserieus

Komen deze nieuwe technieken wel op tijd om de energieproblemen waar we nu mee kampen, op te lossen?
‘Ik denk absoluut niet dat ik met mijn onderzoek alle problemen in de wereld kan oplossen. De hoeveelheid energie die nu voor dataopslag wordt gebruikt, is inderdaad een groot probleem. Indien er niets verandert, zal in theorie over veertig jaar bijna alle elektrische energie op aarde worden verbruikt door datacenters. Het zou mooi zijn als het ons lukt deze energiebehoefte terug te brengen naar verwaarloosbare niveaus. Dan is in ieder geval één bron die bijdraagt aan de opwarming van de aarde verdwenen.

'Dat wil natuurlijk niet zeggen dat daarmee alle oorzaken van klimaatverandering zijn opgelost, maar er zijn genoeg andere mensen die werken aan zuinigere lampen of efficiëntere manieren om energie op te wekken. Andere wetenschappers werken aan schone energie en wij proberen apparaten zuiniger te maken. In feite werken we aan groene ICT.’

'Het zou mooi zijn als het ons lukt deze energiebehoefte terug te brengen naar verwaarloosbare niveaus.'

Is dit streven naar duurzaamheid ook de persoonlijke drijfveer achter uw onderzoek?
‘In de eerste plaats ben ik een wetenschapper en word ik gedreven door het onderzoeken van fundamentele vraagstukken zoals de snelle dynamica van magnetisme. Hoewel ik mij als burger wel zorgen maak over klimaatverandering, vind ik dat je als onderzoeker vooral moet doen waar je goed in bent. In Nederland zijn er genoeg goede wetenschappers die bijvoorbeeld werken aan zonnecellen met een hoog rendement.

'Ik dacht altijd: “Schoenmaker, blijf bij je leest.” Op een gegeven moment realiseerde ik mij echter dat ik met mijn onderzoek naar het optisch schakelen van magneten ook de duurzaamheid van elektronica kan bevorderen. Daar gaat misschien wel veel tijd overheen, maar ik vind dat fundamenteel onderzoek zich ook moet richten op vraagstukken die tot oplossingen kunnen leiden voor grote maatschappelijke problemen. Kwesties zoals energie, voedsel en gezondheid raken ons allemaal. Ik zou het fantastisch vinden als mijn onderzoek kan bijdragen aan het vinden van een oplossing hiervoor.’