Flexiblare användning av datorminne spar energi

Vi behöver allt snabbare datorer till allt från medicinsk forskning och väderprognoser till underhållning. Men minnessystemens energibehov begränsar utvecklingen. David Black-Schaffer vill skapa mer flexibla och energisnåla system för hur datorer letar och lagrar data, och på så vis bana väg för ökad datorprestanda.

David Black-Schaffer

Docent i datorsystem

Wallenberg Academy Fellow 2015

Lärosäte:
Uppsala universitet

Forskningsområde:
Utvecklar energieffektiva minnessystem för ökad datorkapacitet 

När David Black-Schaffer blev inbjuden till sin dotters förskoleklass för att berätta vad han gör på jobbet visade han en bild med en Ipads olika delar. Barnen hade inga problem att känna igen skärm, dator, hemknapp och batteri.

– Jag ville visa dem att datordelen är liten och batteriet stort. Vi ger så mycket utrymme till batteriet för att vi behöver energi till allt som datorn ska utföra, till exempel göra beräkningar och använda webbapplikationer. Alla vill ha snabbare datorer och mobiltelefoner, men utan att de drar mer energi.

David Black-Schaffers forskning har två riktningar. Den handlar dels om att göra datorberäkningarna mer effektiva, dels om hur man kan göra datorns minnessystem smartare. Mer än hälften av all energi som en dators processorer använder förbrukas av de system som lagrar data, förklarar han.

– I slutändan kan energibesparingen ge oss den ökade prestanda vi behöver för att lösa framtidens problem inom till exempel klimat- och väderprognoser och läkemedelsutveckling.

Effektivare datordesign

På senare år har de energikrävande minnessystemen blivit en flaskhals i utvecklingen av snabbare och effektivare datorer. Samtidigt ökar kraven, systemen ska kunna leverera allt större volymer data till datorns alla processer. Frågan är hur man kan få bättre prestanda utan att öka energin. Svaret, menar David Black-Schaffer, är mer effektiv design av datorernas minnessystem, där datorns mest nödvändiga delar optimeras.

– För att klara detta måste vi på grundläggande nivå förstå hur mjukvara och datorsystem fungerar, och varför vissa applikationer fungerar bättre än andra.

I det projekt som har stöd av Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse undersöker David Black-Schaffer hur datorns minnessystem kan bli mer flexibelt för att spara energi.

– I tjugo år har datorer haft en hierarki av minnen som tvingat dem att söka genom flera nivåer för att hitta rätt data. Vi vill platta ut detta för att kunna spara energi.

Prisad lärare

David Black-Schaffer växte upp på östkusten utanför Boston, i USA. Intresset för datordesign tog fart när han studerade på Dartmouth College i New Hampshire. Efter college doktorerade han inom området elektroteknik på Stanford University i Kalifornien och arbetade sedan på elektroniktillverkaren Apple.

– Det var en fantastisk och värdefull erfarenhet. Projektet jag arbetade inom utvecklade det öppna programspråket OpenCL, som idag är den ledande standarden i teknikindustrin.

År 2009 gick flyttlasset till Sverige. Sedan dess har David Black-Schaffer byggt upp en egen forskargrupp på Uppsala universitet. Han har också fått flera lärarpriser för sitt arbete med integration av digitala resurser i undervisningen. Inspirerad av så kallat aktivt lärande har han satt ihop ett team som tagit fram ett nytt verktyg utifrån idén med ”omvänt klassrum”.

– I det här konceptet kopplas online-föreläsningar ihop med uppföljning och reflektion i klassrummet. Hittills har mer än 20 000 studenter i Sverige och utomlands använt vårt verktyg, och det är väldigt roligt.

”Anslaget ger mig friheten att följa forskningen var den än leder, och resurserna att kunna lägga ned tillräckligt mycket kraft på de mest intressanta frågeställningarna.” 

Utmaning att vara relevant

Fortfarande är samarbetet och samtalen med teknikbranschen en viktig del av forskningen. Här kommer även David Black-Schaffers pedagogiska ådra till god användning, liksom erfarenheten från Appletiden. Steget från hans forskning om grundläggande applikationer till företagens produktutveckling är dock längre än man kan tro.

– Ja, företagen är mycket intresserade av det vi gör. Men det vi föreslår innebär också en stor risk för dem. Det beror på att vi vänder upp och ned på hur datorsystem kan byggas för att bli effektivare. Industrin har byggt dem på samma sätt länge och det kostar att göra förändringar.

Konkurrensen i branschen är stenhård och företagen är av förklarliga skäl hemlighetsfulla. Det gör det ofta svårt för forskarna att komma åt data om detaljer i systemen de vill vidareutveckla. För att vara framgångsrik i forskningen krävs enligt David Black-Schaffer en balans mellan detaljer och modeller.

– Det värde vi kan förmedla till industrin är inte exakta siffror, utan insikter om vad som är viktigt och vilket arbete som skulle krävas för att göra systemen bättre. Eftersom utvecklingen i branschen går så snabbt är det en stor utmaning för oss att vara på rätt nivå vid rätt tillfälle i vår forskning.

Den ultimata framgången vore förstås att kunna säga till folk ”kolla din mobil, den använder våra uppfinningar”, summerar David Black-Schaffer.

– Men om företagen förstår att det finns ett mer flexibelt sätt att använda datorers minne jämfört med det gammaldags sättet som används idag, så är det också bra.

Text Susanne Rosén
Bild Magnus Bergström