Wat?

De computer van de toekomst zal redelijk krachtig zijn, maar met name zal hij uitblinken in de mogelijkheid om he-le-maal niets te doen als het niet nodig is. Als een computer nu aan staat dan verbruikt hij continu stroom, zodat rare maatregelen als een standby-stand nodig zijn. Dat is allemaal niet nodig met de technieken die in ontwikkeling zijn.

We willen steeds meer computertjes in vanalles en nog wat hebben, ook in nieuwe gadgets zoals fotolijstjes. Zo'n fotolijstje is een mooi voorbeeld van iets dat helemaal geen stroom hoeft te kosten, totdat je van plaatje verandert. Het is dus wel zo slim nog even geen fotolijstje van de huidige generatie te kopen, want die maken dat nog niet waar. Sterker nog, waarom zou je een apart fotolijstje kopen als je TV of computermonitor straks ook een foto van je kinderen kan tonen zonder stroomverbruik?

De toekomstige computer zal vermoedelijk ook geen aan/uitknop meer hebben. Hij zal gewoon zijn, net als een kast of, misschien nog het beste voorbeeld, een telefoon. Waarom zou je een apparaat willen uitschakelen als het niets verbruikt? Een echte standby, die het apparaat zelf activeert zodra er geen werk meer te doen is, werkt veel intuitiever -- en bespaart meer energie op de koop toe.

De nieuwe computertjes zullen vermoedelijk niet kunnen rebooten, en moeten daarom crash-vrij werken. Daarnaast moet niet elk fotolijstje een softwarelicentie gaan kosten. De kans dat dit met open source software zoals Linux wordt geregeld is daardoor enorm.

Dit is de technologie om op te letten bij je volgende aanschaf; het is nu nog erg duur, maar zelfs nu kan het al zijn dat het je dubbel en dwars terugbetaalt door de bijbehorende energiebesparing!

• bistabiel scherm (elektronisch papier)
• bistabiel geheugen
• solid state disk
• open source operating systeem
• werking zonder klok-interrupts
• asynchrone elektronica
• bluetooth in plaats van WiFi...?

De details lees je onder Hoe?.

Waarom?

Hoewel zo langzamerhand iedereen wel doordrongen is van de noodzaak om te minderen met energieverbruik, stijgt de consumptie van energie nog altijd. De belangrijkste lichtpunten in een huis zijn nog altijd niet overal met spaar- of LED-lampen uitgerust en er is een vlucht aan mobiele devices die alsmaar meer moeten kunnen. Er moeten zelfs centrales bijgebouwd worden!

Elk gebruik dat we van fossiele brandstoffen maken verbrandt een olieproduct dat voornamelijk koolstof en waterstof bevat; de waterstof verbrandt tot water(damp) en de koolstof tot CO₂. Dat laatste leidt tot het broeikaseffect, en de directe oorzaak is het oppompen van fossiel opgeslagen stoffen in de aardkorst dat via-via als CO₂ de lucht in wordt gepompt.

Voor apparatuur die langdurig wordt gebruikt kan het vaak goed uit om een besparende techniek in te zetten. Een harde schijf vervangen door een Solid State Disk (een soort flash-harde-schijf) kost je bijvoorbeeld een paar honderd Euro, maar bespaart zeker de helft aan stroom --zo'n 15 Watt-- wat je jaarlijks zo'n EUR 20 bespaart. En omdat een SSD-schijf gemakkelijk tientallen jaren meegaat verdien je dat wel terug. Bovendien bevat een SSD-schijf geen bewegende delen, zodat hij niet zal crashen door fysieke beschadigingen; elke harde schijf zal dat vroeg of laat wel doen.

We hebben altijd een honger naar meer, meer, meer. Velen geloven folders als die zeggen dat 160 GB tegenwoordig echt niet meer kan als harde schijf. Dat is onzin, want elke harde schijf raakt vol als je niet af en toe rommel weggooit, maar om nou meer te betalen en meer elektriciteit te verbruiken voor het opslaan van rommel die je niet eens meer herkent als je er een tijd later naar moet kijken? En dan hebben we het nog niet gehad over de backups die je beter van je laptop-bestanden kunt maken. Allemaal verkwisting, want een installatie van Linux werkt prima op 10 GB, en een goed beheerde installatie van Windows kan uit de voeten met 25 GB. Voeg daarbij een paar GB voor flink wat muziek en een paar films die je op dit moment op je schijf backupt, en je bent klaar.

Het telkens meer willen is eigenlijk vooral interessant voor fabrikanten, die niets liever doen dan nieuwe technologie uitrollen en aan ons allen verkopen. Veel daarvan is onnodig voor een normale toepassing in huis of kantoor. De meeste rekenkracht is in huizen nodig voor spelletjes, en in kantoren voor drukke servers voor spamfiltering of een database-toepassing. Maar ook in kantoren slaat men vaak door: voor een webserver kiest men vaak een snelle machine, maar dit is een heel simpele toepassing die meestal niet veel nodig heeft -- de aansluiting naar het Internet is veel vaker de limiterende factor.

Hoe?

Onder dit kopje gaan we in op de technologie waar we hoopvol over zijn, omdat het commercieel succeskansen heeft. Bovendien is het allemaal technologie die heel weinig energie kost. Misschien wel zo weinig dat het voor eenvoudige apparaatjes uit polsbewegingen en dergelijke is op te wekken!

Deze uitleg wordt een beetje technisch, maar iedereen met enig verstand van de algemene werking van een computer zou het moeten kunnen volgen.

Oud en zuinig? Soms horen we weleens dat iemand een oude, langzame computer gebruikt als server. De gedachte is dat langzaam ook wel zal betekenen dat het zuiniger is. Vaak is dat niet echt waar: de voeding is vaak wat kleiner maar het gemiddelde verbruik ligt relatief hoog, zeker als je het bekijkt per rekenstap. Oudere technologie heeft vaak meer stroom nodig voor dezelfde elementaire stapjes. Je doet er dus beter aan om voor een energiezuinige thuisserver (of desktop) gebruik te maken van een moderne computer, die erop gebouwd is om zuinig te zijn. Een laptop waarvan het beeldscherm niet meer verlicht wordt, en die je beheert via remote login of een VGA-aansluiting is een veel zuiniger server.

Bistabiliteit. Veel onderdelen in een computer verbruiken energie om stabiel te blijven, en de meest interessante veranderingen voorkomen die nullast. De term "bistabiel" houdt in dat iets in twee toestanden in rust is, dus dat er energie nodig is om van de ene naar de andere toestand te veranderen. Denk maar aan een bal die links of rechts van een heuvel ligt, en die niet naar de andere kant zal rollen zonder externe invloeden:

Als je de ene kant "1" noemt en de andere "0" dan kun je in dit systeem digitale informatie opslaan zonder dat je werk hoeft te verrichten om het zo te houden. Veel interessante moderne ontwikkelingen maken gebruik van dit algemene principe.

Elektronisch papier. De eerste apparaatjes met bistabiele schermpjes zijn inmiddels in de handel, zelfs al met kleurenschermen. Zulke schermpjes vragen geen stroom om een afbeelding te blijven tonen, en zijn dus geschikt als vervanger van papier. Om die reden heten zulke schermen vaak elektronisch papier.

Ze zijn minder geschikt voor grafisch spelletjes met rollende beelden, maar wel voor populaire toepassingen zoals tekstverwerking en spreadsheets. Je kunt voor toepassingen in apparaatjes ook denken aan de notitieblokjes die veel worden gebruikt in Star Trek. Het valt te verwachten dat moderne laptops standaard met een dergelijk scherm worden uitgerust, zodat daarmee veel langer kan worden gewerkt op dezelfde batterij.

Digitale films hebben vaak het formaat MPEG (op een DVD, maar ook in DVB voor digitale televisie en satelliet-TV). Dit formaat is zo beschreven dat er minimaal hoeft te worden veranderd op het scherm, dus zou digitale televisie zelfs met zullke bewegende beelden wat minder kunnen verbruiken met een bistabiel scherm. Het is daarvoor dan wel nodig om de schermen op een andere manier te vullen dan de huidige TV-achtige norm waarbij minstens vijftigmaal per seconde een beeld wordt verzonden. Leuke bijkomstigheid van bistabiele schermen is trouwens dat een scherm niet meer flikkert, waardoor het even rustig overkomt als een 100Hz-TV.

Werkgeheugen. De RAM van een computer is het werkgeheugen, waarin allerlei tussenresultaten worden opgeslagen. Ook de documenten die je bewerkt staan in RAM. Je kent RAM wellicht in vormen als DIMM's en DDR-geheugen. Al dat geheugen is gebaseerd op een zogenaamde "condensator", een component waarin je spanning kunt opslaan. Het nadeel is dat deze spanning niet bistabiel is: het geheugen is lek, en vergeet op den duur de inhoud. Daarom wordt het een keer of duizend per seconde ververst, door het uit te lezen en opnieuw op te laden. Dat betekent dat meer geheugen ook direct meer rekenkracht en dus meer stroom vraagt.

Er zijn technieken in ontwikkeling die van RAM een bistabiel medium maken, zodat het niet langer meer zo is dat het gebruik van meer geheugen ook betekent dat je meer stroom verbruikt voor verversing. Deze technieken staan in de kinderschoenen, maar zijn allemaal beter dan flash, waar het verder wel een beetje op lijkt. Flashgeheugen is alleen niet bijster snel, en kan maar een paar miljoen maal worden overschreven. Als de andere technieken in grote capaciteiten worden uitgerold staat niets meer in de weg van een geheugen dat bistabiel is, en dat dus de inhoud niet verliest als de computer uitgeschakeld wordt. Prettig bij stroomstoringen, maar ook een kans om heel veel energie te besparen.

Deze suspend-kans hoeft trouwens niet beperkt te blijven tot het RAM; want overal in een computer zitten kleine buffertjes die tussenresultaten vasthouden, inclusief in de processor. Alle componenten die volgens bistabiele technieken gegevens opslaan kunnen op elk gewenst moment worden uitgeschakeld, en bij terugkeren van de spanning gaat het dan gewoon weer door. Met ACPI is het al mogelijk om onderdelen van een computer aan en uit te schakelen, dus we lijken klaar te zijn voor zulke slimme componenten. Het wachten is nu nog op een stabiel en massaal productieproces voor een van de vele technologieen voor bistabiele RAM en daarna de inbouw ervan in alledaagse componenten van PC's.

Solid State Disk. Het belangrijkste verschil tussen RAM en schijfgeheugen is dat een schijf mechanisch is. Een aantal magnetiseerbare schijven draait rond en een lees/schrijfkop beweegt van binnen naar buiten over magnetische "banen" op de schijf. Behalve het risiko van slijtage, levert al deze mechanica ook vertraging op: De kop moet telkens heen en weer bewegen, en dan wachten tot de juiste gegevens onder de kop door zoeven. Het kost aardig wat energie om de kop snel van positie te veranderen, en ook de motor van de schijf kost natuurlijk energie. Daarom is er een technologie in opkomst die Solid State Disk heet: een vast geheugen dat gebaseerd is op flash, en dat door slim beheer van de capaciteit niet zo heel veel last heeft van de beperking van een paar miljoen keer overschrijfbaarheid. Door de herschrijvingen een beetje over de blokken uit te smeren kan zo'n SSD vaak 25 jaar of langer meegaan, uitgaande van voortdurend schrijven. Daarbij is hij een stuk zuiniger (ongeveer de helft van het vermogen), sneller (een keer of twee) bedrijfszekerder (door afwezigheid van bewegende delen) en lichter (doordat geen stramme metalen constructies nodig zijn). SSD's zijn nog relatief duur maar zullen de komende jaren ongetwijfeld doorbreken, zeker in laptops.

Alle geheugen op een hoop. Hoewel SSD een goede oplossing lijkt, is het nog altijd een tijdelijke. Als de bistabiele RAM-geheugens goed doorzetten zullen die ook de opslag van de schijf kunnen overnemen. Je krijgt dan een computer met overal hetzelfde geheugen. Het onderscheid tussen RAM en disk dat we nu kennen verdwijnt dan, want alles staat altijd opgeslagen. In je tekstverwerker zul je dus geen Save meer hoeven doen, maar is je wijziging meteen permanent. Daarnaast gebruikt je bijvoorbeeld Undo of versiebeheer om oude versies van je werk terug te halen, of om te zien wat er is veranderd.

De grap is dat deze geheugens, die inhoud vasthielden terwijl de computer uitgeschakeld was, vroeger heel gewoon waren. De stokoude ringkerngeheugens werkten namelijk ook al zo. De ringkernen waren gemagnetiseerd met de klok mee of ertegenin, en vormde daarmee ook een bistabiel geheugen.

Wanneer alle geheugen op deze manier elektronisch en bistabiel is, kun je datgene doen wat hierboven beschreven werd: apparaten altijd aan laten staan, of ze kunnen zichzelf op elk gewenst moment uitschakelen om later weer door te starten vanaf het punt waar je gebleven was. Tussen elke toetsaanslag als het even kan! Tussen twee toetsaanslagen zit namelijk een enorme tijd waarin je computer niets te doen heeft. Het leuke hieraan is dat het niet verkwistend is om een supersnelle computer te gebruiken -- de verbruikte energie wordt in zo'n computer alleen nog bepaald door de hoeveelheid rekenwerk, en niet door de tijd dat een apparaat ingeschakeld is.

Het valt te verwachten dat zulke computers onder open source software zoals Linux zullen werken. Niet alleen is dat een superstabiel systeem, het is ook de plek waar de meeste inspanningen worden verricht om energieverbruik terug te dringen. Er is altijd aandacht geweest voor dergelijke aspecten, en dat is ook logisch: Een slimme programmeur die een truc in Linux inbouwt om energie te sparen ziet dat met miljoenen, zo niet miljarden PC's vermenigvuldigd!

Budgettering. Het wordt met dit soort eigenschappen mogelijk om de hoeveelheid rekenkracht in sommige toepassingen te budgetteren. Bijvoorbeeld afhankelijk van de hoeveelheid energie die gewonnen kan worden uit zaken als polsbewegingen, omgevingslicht, of misschien wel uit de signaaltjes op een netwerkaansluiting. Een zuinig apparaat zou een nulverbruiker kunnen worden als het zichzelf in toom weet te houden door alleen extern aangeboden energie te gebruiken. Hoewel dit niet voor elk apparaat haalbaar zal zijn, is het in elk geval een extra mogelijkheid wanneer technologie zichzelf probleemloos kan uitschakelen.

Leren klokkijken. Al vanaf de allereerste handzame computers is het gebruikelijk dat er bij elke wisseling op het elektriciteitsnet een interrupt wordt gegenereerd; dat wil zeggen dat de computer even een zijspoor inslaat voor wat regelmatige klusjes. Denk daarbij aan het bijwerken van de interne klok en het af en toe overschakelen op een andere taak. Dit gebeurt 50 tot 120 maal per seconde, en meestal is het voor niets. Verspilde moeite dus, met name omdat een slapende computer telkens voor even gewekt moet worden. Dit sluit niet aan bij de visie van een computer die voortdurend aan kan staan zonder energie te verbruiken. Er komen verder ook lastige technische problemen uit voort.

Er wordt daarom gewerkt (in elk geval binnen Linux) aan een alternatieve techniek, waarbij de computer niet langer 50 tot 120 van die interrupts per seconde nodig heeft, maar waarbij de computer alleen een interrupt krijgt als er werk aan de winkel is. Dat is nu ook al gewoon; bijvoorbeeld als er op een toets wordt gedrukt, als de muis wordt bewogen of als er data via het netwerk binnenkomt. En voor allerlei interne taken heeft de computer de beschikking over timers, die hem na een bepaalde tijd kunnen wekken.

Dit alles zal in eerste instantie met Linux op de centrale processor(s) worden uitgevoerd, maar wellicht niet meteen op de rest van de elektronica. Daar is dus nog wel winst te boeken. Bijvoorbeeld kan een toetsenbord ook volgens dit principe worden gemaakt, idem een muis en mogelijk zelfs een netwerkkaart. Op dit moment is dat niet het geval, en werken de mini-computertjes (de zogenaamde "microcontrollers") in die randapparaten nog volgens een principe dat ze voortdurend scannen of er werk klaarligt. Het zou kunnen zijn dat we speciale netwerkaanpassingen moeten maken om het allemaal werkend te krijgen (moeten we misschien overstappen op ATM?) maar daar lijkt wel heel veel te besparen te zijn. Ook op het gebied van routers op het Internet, en de modems die we in onze huizen gebruiken is een dergelijke overgang mogelijk en qua energiebeheer aantrekkelijk. Het zal vermoedelijk lang op zich laten wachten omdat het nogal een omschakeling is, maar is geen echte reden om het te laten. ATM over glasvezel is technisch gezien een heel voor de hand liggende manier van werken, en energetisch heeft het ook de toekomst.

Asynchrone hardware. Op een basisniveau werkt hardware ook met een dergelijke regelmatige hartslag: de kloksnelheid waarmee de processor stapjes maakt. Deze snelheid is vaak in de orde van een paar GHz, ofwel een paar miljard stapjes per seconde. Dat is nogal wat! Zeker als je bedenkt dat een processor bij elke keer dat hij omschakelt een beetje energie afvoert via de stroomleidingen. Het is dus ideaal om dat ook te voorkomen.

Via asynchrone elektronica is dat in principe mogelijk. Dit is wat lastiger om voor te ontwerpen, maar niet onmogelijk. Het idee is dat opeenvolgende blokjes elektronica elkaar expliciet vertellen dat er wat gebeurd is, in plaats van standaard bij elke klokpuls data over te dragen. Er zijn voorzichtige ontwikkelingen gaande in deze richting. Philips heeft een processor volgens dit principe ontwikkeld, en die wordt veel minder warm (lees: verbruikt minder elektriciteit) dan een vergelijkbare processor volgens het standaardprincipe. De eerste fabrikant van asynchrone programmeerbare hardware (FPGA's) is van start gegaan, en er wordt veel onderzoek verricht naar ontwerpmethoden voor dergelijke asynchrone elektronica. Het ligt nog niet bij je lokale computerboer, maar het zit er zeker aan te komen. Ook dit is weer mede te danken aan de wens naar mobiele apparaatjes.

Draadloos. Een grote energievreter in veel apparaten is WiFi. Het lijkt waarschijnlijk dat ook daar nog wat aan gedaan moet worden, maar daar hebben we op dit moment geen informatie over. Bij een mobiel aparaat dat geen energie gebruikt terwijl het niets doet hoort natuurlijk ook een noodzaak om bereikbaar te blijven; bedrading is daarvoor ideaal maar wellicht is er meer mogelijk.

Een aspect dat beslist een rol speelt, is de afstand waarop we willen kunnen werken met een apparaat. Ook speelt de vorm van de gebruikte antenne een rol; een richtantenne verbruikt bijvoorbeeld veel minder energie om een afstand te overbruggen, doordat gericht naar de andere partij wordt gezonden en niet naar alle kanten tegelijk. Een combinatie van gerichte uitzending en technologie met een bescheiden bereik zou weleens de sleutel kunnen zijn tot energievriendelijker draadloze netwerken. BlueTooth kan weleens een belangrijke technologie zijn voor deze gedachte.

Waar?

• Een meer gedetailleerd rapport van ons, in het Engels, getiteld Computing without Breaking a Sweat.
• Elektronisch papier op WikiPedia.
• Solid State Drive op WikiPedia; lees ook de opmerkingen op Tom's Hardware over meer energieverbruik bij te vroege adoptie!
• Flashgeheugen en moderner niet-vluchtig geheugen op WikiPedia; vooral interessant zijn FeRAM, MRAM, NRAM, PRAM enzovoort. Uitgebreider uitleg is te vinden in de Engelstalige tegenhanger van dit artikel over niet-vluchtig geheugen, dat ook meer informatie biedt over de in ontwikkeling zijnde ("Upcoming") technieken.
• De Mini ITX is een serie moederbordjes dat erg zuinig is met energie.
• Op Linux Devices kunnen heel bescheiden apparaatjes worden uitgerust.
• Informatie over Interrupts zoals de klokpuls (onder Linux).
• Informatie over Asynchrone FPGAs -- dat zijn generieke chips waarop asynchrone schakelingen kunnen worden gebrand.
• Nieuws: ARM-Gebaseerde Linux Laptops