Nhu cầu năng lượng của máy tính sẽ vượt quá khả năng sản xuất của con người vào năm 2040

Mặc dù luôn máy tính có những cải tiến về mặt thiết kế nhưng với xu hướng hiện tại thì tới năm 2040, những con chip máy tính sẽ cần lượng điện nhiều hơn cả những gì mà ngành năng lượng toàn cầu có thể cung cấp được. Đây chính là dự đoán khá ảm đạm của các nhà nghiên cứu dựa trên thống kê mới nhất từ Hiệp hội công nghiệp bán dẫn, cho thấy rằng con người phải tìm cách khác để cải thiện hiệu suất của máy tính thay vì dựa vào duy nhất định luật Moore để tăng số lượng bóng bán dẫn.

Chi tiết hơn, trong báo cáo vừa phát hành bởi Hiệp hội ngành công nghiệp bán dẫn (SIA) có một mục dự đoán về sự tăng trưởng của nhu cầu tiêu thụ điện của chip máy tính. Trong đó nêu ra kịch bản về "đích đến cuối cùng" mà ngành công nghiệp bán dẫn toàn cầu sẽ đi tới. Theo đó, nếu như những chiếc máy tính sẽ ngày càng mạnh hơn nhờ vào lượng bóng bán dẫn được tích hợp ngày càng nhiều hơn thì chúng sẽ cần tiêu thụ được lượng điện năng nhiều hơn nhằm đảm bảo các chức năng hoạt động đầy đủ (trừ khi hiệu quả năng lượng được cải thiện).

Mặc dù các hãng sản xuất bán dẫn có thể dùng nhiều cách để cắt giảm lượng điện năng tiêu thụ nhưng SIA cho rằng vẫn có một giới hạn nhất định đối với những phương pháp hiện tại. Họ cho biết: "Việc theo đuổi định luật Moore khiến cho kích thước của các bóng bán dẫn sẽ ngày càng nhỏ hơn, tuy nhiên mật độ năng lượng lại tăng lên và điều đó lại liên quan tới việc kiểm soát nhiệt độ. Càng nhiều bóng bán dẫn trên một con chip đồng nghĩa với các kết nối cũng nhiều hơn, có thể lên tới tổng cộng vài km. Tuy nhiên nếu như các kết nối này càng ngắn lại thì hiệu quả lại càng giảm xuống."

Theo tính toán của SIA thì về lâu dài, với tốc độ tiếp cận vấn đề của kỹ thuật chip hiện tại thì "cho tới năm 2040 máy tính sẽ không còn được bền vững bởi khi đó nhu cầu năng lượng phục vụ tính toán sẽ vượt quá sản lượng của toàn thế giới có thể đạt được." Như trong biểu đồ bên dưới, nhu cầu sử dụng năng lượng tiêu chuẩn (đường màu cam) sẽ vượt quá sản lượng năng lượng toàn cầu trong khoảng giữa năm 2035 và 2040.

Dự báo nhu cầu năng lượng của máy tính và khả năng sản xuất của con người trong tương lai​

Hiện các kỹ sư đang cố gắn nhét các bóng bán dẫn ngày càng nhỏ hơn trong không gian 3 chiều vào vi mạch nhằm cải thiện hiệu suất và tuân theo định luật Moore, nhưng SIA cho rằng cách tiếp cận này không phải sẽ có hiệu quả mãi mãi mà thay vài đó, nó biểu thị cho lượng năng lượng bị mất đi với số lượng tăng dần theo những con chip ngày càng dày đặc hơn. SIA cho biết: "Phương pháp tiếp cận truyền thống đang đi vào giới hạn của vật lý. Việc giảm "chi phí năng lượng" trong vấn đề quản lý dữ liệu trên chip đòi hỏi những nghiên cứu về vật liệu mới, thiết bị và kiến trúc mới."

Đây thật sự là một thách thức lớn đối với những kỹ sư và các nhà khoa học máy tính hiện nay. Nghiêm trọng hơn, SIA còn đưa ra dự đoán rằng từ năm 2020 thì phương pháp cải thiện hiệu quả kinh tế và năng lượng bằng cách truyền thống, thí dụ như giảm kích thước bóng bán dẫn, sẽ không còn hiệu quả. Nói cách khác, việc cải thiện hiệu quả năng lượng và hiệu suất máy tính trong tương lai cần phải là một cái gì đó không phụ thuộc vào số lượng bóng bán dẫn.

Thomas Conte, một kỹ sư máy tính tại Georgia Tech cho biết rằng "mọi chuyện thật sự đã bắt đầu đổ vỡ từ năm 2005 khi mà chúng ta có nhiều bóng bán dẫn hơn trên vi mạch nhưng nhìn chung thì mọi thứ không được cải thiện. Đây không phải là dấu chấm hết cho định luật Moore nhưng vấn đề ở đây là xác định được cái gì mới thật sự quan trọng đối với nhu cầu tính toán của con người."