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Die Energieeffizienz steigern!

Schaffen wir den Sprung ins Zettabyte-Zeitalter?

22. Januar 2018, 16:00 Uhr   |  Iris Stroh

Schaffen wir den Sprung ins Zettabyte-Zeitalter?
© EPFL

Der virtuelle Patient

Professor Adrian M. Ionescu vom Nanolab der EPFL (École Polytechnique Fédérale de Lausanne) betont, dass die Energieeffizienz um Größenordnungen verbessert werden muss, um die IoT-Revolution Wirklichkeit werden zu lassen und aus den Zettabytes (ZB) an Daten sinnvolle Informationen zu gewinnen.

Das Ende der Dennard-Skalierung ist bereits erreicht; über das Ende von Moore’s Law wird auch schon seit einiger Zeit diskutiert. Aber das ist aus der Sicht von Ionescu nicht das größte Problem, sondern vielmehr die Energieeffizienz in der Computertechnik. Denn auch hier geraten die Gesetzmäßigkeiten außer Kontrolle: Das Koomey-Gesetz – es besagt, dass die Energieeffizienz sich alle 18 Monate (1,57 Jahre) verdoppelt – hat bis 2009 die Entwicklungen gut abgebildet, doch mittlerweile sind es fast drei Jahre, um die Energieeffizienz zu verdoppeln. Ionescu: »Historisch betrachtet wurde in zehn Jahren die Effizienz um den Faktor 100 verbessert. Aber mittlerweile würde es rund 20 Jahre dauern, um eine solche Verbesserung zu erreichen.«

Zu dieser Tatsache gesellt sich ein anderer Trend: Wir sammeln immer mehr Daten. Ionescu zeigt auch hier anhand eines Vergleichs mit historischen Daten, was für ein Wandel vor sich geht. 2007 wurden 2,9 x 1020 optimal komprimierte Bytes gespeichert, fast 2 x 1021 Bytes kommuniziert und auf General-Purpose-Computern 6,4 x 1018 Instruktionen pro Sekunde durchgeführt. Damals lagen 99,9 Prozent der Kommunikationsdaten und 94 Prozent der gespeicherten Daten in einem digitalen Format vor. »Im 21. Jahrhundert hat eine neue Ära begonnen, die durch den Bedarf gekennzeichnet ist, dass Zettabytes, sprich 1021 Bytes, an Daten bewältigt werden müssen. Um eine Vorstellung von ZB zu bekommen, macht Ionescu folgenden Vergleich: 1 ZB entspricht 36.000 Jahre HD-Videos. Die ZB-Ära bedeutet: 140 ZB Speicher, 272 ZB werden kommuniziert, die Rechenleistung liegt bei 2590 ZIPS und eben die bereits erwähnten mehr als 50 ZB IoT-Edge-Geräte. Angesichts dieses Wachstums betont Ionescu abermals, dass die Energieeffizienz besonders kritisch sei. »Die benötigte Energie steigt exponentiell. 2020, in einer Welt, in der 40 ZB an Informationen pro Jahr generiert werden, wäre dies ohne eine Verbesserung der Energieeffizienz um den Faktor 1000 nicht nachhaltig.

Also müssen Technologien gefunden werden, die eine um Größenordnung höhere Rechenleistung ermöglichen, während die Leistungsaufnahme auf dem gleichen Niveau wie heute bleibt. Anders ausgedrückt: Die Energieeffizienz von ICT-Anwendungen oder die Rechenleistung pro Watt muss um den Faktor von rund 1000 verbessert werden.

Steile Schaltcharakteristik

Der früher beschrittene Weg, die Leistungsaufnahme von ICs zu minimieren, bestand darin, die Spannung Vdd zu reduzieren – sie hat Einfluss auf die dynamische und statische Leistungsaufnahme. Laut Ionescu sank Vdd zwischen 2000 und 2015 um 50 mV/Jahr. Dieser Weg hat 2010 sein Ende bei ungefähr 0,8 V erreicht. Das liegt aber weit von dem Wert entfernt, den Ionescu im ZB-Zeitalter für notwendig hält: rund 100 mV. Auch die Absenkung der Schwellenspannung (Vth) funktioniert nicht, weil mit kleineren Prozessstrukturen der Leckstrom (off) exponentiell steigt. Die Absenkung von Vth um 60 mV führt zu einer Erhöhung von Ioff um einen Faktor von mindestens 10.

Diese Probleme lassen sich mit Schaltelementen mit steiler Schaltcharakteristik (Steep-Slope-Device) lösen. Mittlerweile gibt es viele Steep-Slope-Devices wie TFETs (Tunnel-FETs), NEM-Relais (NEM: Nano-Electro-Mechanical), NCFETs (FET mit negativer Kapazität) oder Phase-Change-Schalter. Mit diesen Alternativen kann laut Ionescu Vdd auf unter 0,3 V und Vth auf 0,1 V reduziert werden. Ionescu selbst hält TFETs für den derzeit vielversprechendsten Ansatz. Diese Transistoren könnten in heterogenen Multi-Core-Prozessor-Designs mit CMOS- und TFETs zum Einsatz kommen und den Energieverbrauch um bis zu 50 Prozent reduzieren. Auch IoT-Sensorknoten oder neuromorphe Designs könnten von TFETs profitieren. TFETs bieten dank ihrer Schaltcharakteristik auch Vorteile für analoge Schaltungen, beispielsweise in Form eines höheren Verstärkungsfaktors bei niedrigen Spannungen.

Eine weitere Möglichkeit, die Energieeffizienz zu erhöhen, sieht Ionescu in der 3D-Integration. Als möglichen Ansatz verweist er auf das N3XT-Konzept (N3XT: Nano-Engineered Computing Systems Technology), das sich durch folgende Komponenten und Merkmale auszeichnet: leistungsstarke und energieeffiziente FETs wie zum Beispiel CNTs; große nichtflüchtige Speicher wie RRAM (für große Speicher) und STT-MRAM (für schnelle Zugriffe), eine fein granulare 3D-Integration von Rechen- und Speicherelementen mit ultradichter Connectivity zwischen den Layern, integrierte Kühltechniken. Der PageRank-Benchmark hat ergeben, dass sich mit dem N3XT-Konzept der Energieverbrauch um den Faktor 37 reduzieren und die Geschwindigkeit um den Faktor 23 erhöhen lässt.

EPFL, Ionescu.jpg
© EPFL

Professor Adrian M. Ionescu, EPFL: »2025 wird es zig Mrd. von IoT-Geräten geben. Wenn wir nichts tun, werden diese Geräte 20 Prozent der Energie verbrauchen.«

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1. Schaffen wir den Sprung ins Zettabyte-Zeitalter?
2. Und wozu das Ganze?

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