Forbes o projektu Jiřího Matyáše

Datum vydání: 22.03.2018 | Zdroj: Forbes NEXT | Rubrika: Bateri příběh | Strana 66 | Autor: ONDŘEJ VYHNANOVSKÝ

Chytré mozky po celém světě se snaží vyvinout nové a lepší baterie, aby (nejen) mobily vydržely nabité déle než pouhý den. Jeden brněnský student teď přišel s nápadem, že by mohl výdrž stávajících baterií zdvojnásobit prostě tím, že udělá elektroniku "hloupější". 


Ráno při odchodu z domu odpojit mobil z nabíječky, večer po návratu ho tam zase připojit. Každodenní otravná rutina, kterou v době chytrých telefonů zná snad každý jejich uživatel. Projíždění sociálních sítí, mobilní hry či sledování videí, to vše vysává baterii takovým způsobem, že vydrží sotva jeden den. 
Éra týden nabitých nokií je bohužel nenávratně pryč a současná technologie lithium-iontových článků pod tlakem stále náročnějších uživatelů naráží na svoje limity. Prodlužování výdrže baterií nebo snižování nákladů na energie proto už poměrně dlouhou dobu zaměstnávají mnoho mozků po celém světě. Problém ale možná rozlouskl student brněnského Vysokého učení technického Jiří Matyáš. 
Jeho diplomová práce, na jejímž pokračování teď začal pracovat v rámci doktorského studia, na to jde jinak. Všímá si totiž skutečnosti, že počítače fungují natolik přesně, až je to v některých případech zbytečné. 
Připuštění chyby určité velikosti, která nemá zásadní vliv na chod zařízení, by se tedy dalo využít ke zjednodušení obvodů, a tím i ke snížení jejich spotřeby energie. 
Lidsky řečeno, například v chytrém telefonu by byly povoleny drobné chybičky, které budou pod rozlišovací schopností uživatele. Tyto "lajdácké výpočty" umožní šetřit výpočetní výkon, a tím i snižovat spotřebu energie. Ve výsledku by tak nové mobilní telefony mohly mít se stejnými bateriemi až dvojnásobnou výdrž. 
"Moje metoda a metoda Applu jsou naprosto odlišné," upozorňuje Jiří Matyáš, hned jak přijde otázka na ovlivňování výkonu zařízení. Právě výrobce iPhonů na sebe totiž před nedávnem přivolal hněv zákazníků, když vyšlo najevo, že skrz update operačního systému snižuje výkon svých starších modelů. Nakonec se však ukázalo, že tak nečiní kvůli tomu, aby prodával více nových telefonů, jak tvrdili kritici, nýbrž proto, aby zvýšil stabilitu zařízení. Starší opotřebované baterie totiž produkují příliš nízké napětí a tím způsobují kritické chyby v systému a jeho následný pád. 
"V našem výzkumu se snažíme zavést drobné nepřesnosti do nekritických výpočtů a tím dosáhnout úspory energie. Tyto nepřesnosti na celkovou stabilitu zařízení nemají žádný vliv," dodává Matyáš. 
Výpočty v počítačových systémech jsou prováděny pomocí aritmetických obvodů. Tedy například sčítání pomocí sčítaček či násobení pomocí násobiček. Pokud bude místo přesného obvodu jeho přibližná - jak říká Matyáš aproximovaná - verze, může být jeho implementace výrazně jednodušší, a tím pádem spotřebuje méně energie. 
Aproximováno by přitom mohlo být až neuvěřitelných 80 procent všech výpočtů, které naše mobily, tablety nebo notebooky provádějí. V zařízení by tak vedle sebe měly existovat jak přesné, tak přibližné obvody. 
Pro výpočty, na kterých závisí chod telefonu, budou samozřejmě použity přesné verze, které sice nešetří žádnou energii, ale zajišťují spolehlivý běh systému. 
"Úplně stejně by nedávalo smysl používat přibližné výpočty pro aplikaci typu Kalkulačky, kde by uživatel jistě nebyl spokojen, kdyby pro zadání 10 x 10 dostával výsledky v rozmezí 95 až 105. Naopak přibližné obvody by byly použity pro výpočty, kde přesnost není zásadní - natáčení videa, přehrávání písničky nebo rozpoznání obličeje na fotce," vysvětluje Matyáš s tím, že v tomto ohledu mobily a počítače částečně provádějí i zbytečnosti. 
Vždyť třeba takový displej smartphonu zobrazuje miliony barev a procesor šedesátkrát za vteřinu s absolutní přesností počítá a kontroluje parametry každého jednoho pixelu, což enormně zatěžuje životnost baterie a každý si teď může sám zavzpomínat, jestli si toho někdy všiml. Energie se dá ale ušetřit i při zpracování signálu a v mnohých dalších oblastech. 
Samotná myšlenka aproximovaných výpočtů nepochází z Matyášovy hlavy. Přístupů k přibližnému počítání existuje ve světě celá řada. Někteří výzkumníci se snaží aproximovat software, jiní třeba paměťová úložiště. Výzkum doktoranda pocházejícího ze Slavkova u Brna se ale zaměřuje na hardware. 
"Naše metoda je unikátní v tom, že jsme spojili několik přístupů, které byly dosud řešeny samostatně. Jde o spolupráci výzkumné skupiny profesora Lukáše Sekaniny, která vyvíjí hardware a evoluční algoritmy, s naší skupinou, která se zaměřuje na formálně verifikační metody. Integrace těchto dvou strategií přinesla mnohem lepší výsledky než dosavadní přístupy," popisuje Matyáš. 
Jeho výzkum ocenil nejen oponent práce, ale i odborná porota soutěže IT Spy, která jej vybrala jako vítěze z 1800 přihlášených. 
Zájem tento přístup vyvolal i v listopadu v USA na prestižní konferenci ICCAD. 
"Nápad realizovatelný bezesporu je a nepochybuji o tom, že v budoucnosti bude výrobci elektroniky tento nebo podobný přístup pro redukci spotřeby či zrychlení hardwaru používán," říká Ondřej Lengál, který Matyášovu práci oponoval. 
Výrobci zkoušejí výdrž baterií a zařízení navýšit různě. Jak se ale může honba za dalšími a dalšími hodinami provozu zvrtnout, ukázal případ Samsungu, jehož špičkový model Galaxy Note 7 se v roce 2016 několika uživatelům kvůli problémům s baterií vznítil a firma ho musela stáhnout z prodeje. I proto jsou dnes Samsung a další výrobci při pokoušení fyzikálních zákonů opatrní. 
Proč doposud nikoho nenapadlo zkusit aproximaci? Zřejmě především proto, že velká část elektroniky se vyrábí pro obecné použití, a pokud bude předem v čipu nastavena chyba určité velikosti, pro některé aplikace používající tento čip může být malá, ale pro jiné naopak příliš velká. To by mohl podle Lengála v budoucnu pomoci změnit právě nástroj Jiřího Matyáše, jehož algoritmus ověřuje, které procesy jde "odfláknout" a u kterých to není vhodné. 
"Určitě by dávalo smysl si výzkum patentovat, aby výrobu mnou navržených obvodů pak mohly zajišťovat technologické společnosti. S komerční sférou však zatím v kontaktu nejsme," komentuje to Matyáš. 
Jeho starosti jsou jinde. Aktuálně se snaží stále zvyšovat výkon vlastní metody a také rozšířit množinu obvodů, které lze aproximovat. Cílem by měl být nástroj, který je automatizovaný, jednoduchý na použití a zvládne aproximovat širokou škálu obvodů. Postupně by se chtěl posunout ke složitějším kombinačním systémům a nakonec nejspíš také k softwaru. Jak sám přiznává, je před ním ještě velmi dlouhá cesta. 
Vedle tohoto nového přístupu k prodloužení výdrže baterií tu ale existují i cesty další, jako například dnes už téměř všudypřítomná umělá inteligence. Huawei ve svých modelech Mate 10 a Mate 10 Pro využívá takzvané NPU (Neural Processing Unit), tedy umělou inteligenci, která se učí chování uživatele a podle toho rozděluje energii mezi aplikace a procesy. A když zjistí, že uživatel spí, minimalizuje veškerou činnost. 
Mezitím akademici vymýšlejí, jestli problém nevyřeší změna ve složení baterií. Na Northwestern University v americkém státě Illinois testují baterie s inteligentním ukládáním lithia, jejich kolegové z kalifornského Berkeley zase experimentují s fluorováním a na univerzitě ve finském Kuopiu zkoušejí grafit nahradit křemíkem. Otázkou také je, zdali a jak nahradit kobalt, který je poměrně vzácný a jeho distribuce problematická. 
Která cesta je ta správná, bude důležité nejen pro chytré telefony, notebooky nebo wearables. Lepších baterií totiž bude potřeba především v elektromobilech a v zařízeních připojených do internetu věcí, jejichž masový rozvoj se v příštích letech očekává. Podle odborníků z brněnského VUT však jde o přístupy, které se mohou vhodně doplňovat.