موضوع: "بدون موضوع"
دانلود پایان نامه ارشد : محاسبه خواص ترمودینامیکی سیال هلیم III تزریق شده در یک نانو لوله در دمای معین
جمعه 99/10/26
…………………………………………………………………………………………………30
5-2) محاسبه سهم انرژی خوشه تک جسمی (E1) ……………………………………………..30
عنوان صفحه
5-3) محاسبه سهم انرژی خوشه دو جسمی (E2) ……………………………………………33
فصل ششم………………………………………………………………………………………………36
نتایج محاسبات………………………………………………………………………………………37
6-1) انرژی تک جسمی سیستم (E1) …………………………………………………………..37
6-2) انرژی دو جسمی سیستم (E2) …………………………………………………………….38
6-3) انرژی کل سیستم (E) ……………………………………………………………………….39
6-4) آنتروپی سیستم…………………………………………………………………………………40
6-5) انرژی آزاد سیستم………………………………………………………………………………41
6-6) فشار سیستم……………………………………………………………………………………..42
6-7) ظرفیت گرمایی سیستم……………………………………………………………………….43
فصل هفتم………………………………………………………………………………………………45
خلاصه و نتیجه گیری……………………………………………………………………………..46
منابع………………………………………………………………………………………………….…..47
نانو فناوری و کاربرد های آن
موادی که حداقل یکی از ابعاد آنها در مقیاس ۱ الی ۱۰۰ نانومتر باشد، نانو مواد خوانده میشوند. نانوفناوری، توانمندی تولید و ساخت مواد،
ابزار و سیستم های جدید با در دست گرفتن کنترل در مقیاس نانومتری (سطوح اتمی و مولکولی) و استفاده از خواص آن ها می باشد. این فناوری بر مبنای چینش تک تک اتم ها، مولکول ها و ترکیبات (در ابعاد نانو) به گونه ای است که خاصیت فیزیکی ویژه ای را برای آن رقم بزند. البته اعمال این تغییرات در این مواد مستلزم درک صحیحی از این فناوری می باشد ]1[.
شاید بتوان گفت اولین کسی که به ابعادی در این حد توجه داشته ریچارد فاینمن، دارنده جایزه نوبل بوده است. وی در سال 1959 طی یک سخنرانی تحت عنوان “فضای زیادی در پایین وجود دارد” مهم بودن این فناوری را متذکر شد]2[.
اصطلاح نانو فناوری اولین بار توسط نوریو تانیگوچی در سال 1974 معرفی گردید .اولین مشکلی که از توسعه این تکنولوژی جلوگیری می کرد این بود که هنوز دستگاهی ساخته نشده بود که بتواند ابعاد در حد نانو متر را ببیند، اما در سال 1981 این مشکل با ساخت میکروسکوپ تونل زنی روبشی STM مرتفع گردید، محققین توانستند به کمک آن در ابعاد نانو تصویر برداری کنند و همین منجر به دریافت جایزه نوبل فیزیک توسط تانیگوچی در سال 1986 شد ]3[. تفاوت اساسی فناوری نانو با دیگر فناوری ها در ابعاد مواد و ساختار هایی است که مورد استفاده قرار می گیرند. در این ابعاد خصوصیات مواد از جمله، مقاومت الکتریکی و گرمایی، استحکام در برابر شکنندگی و خوردگی و … تغییر می کند. استفاده از این فناوری در كلیه علوم پزشكی، پتروشیمی، علوم مواد، صنایع دفاعی، الكترونیك، كامپوترهای كوانتومی و غیره باعث شده كه تحقیقات در زمینه نانو بهعنوان یك چالش اصلی علمی و صنعتی پیش روی جهانیان باشد. همه مواد از جمله فلزات، نیمه هادی ها، شیشه ها، سرامیک ها و پلیمرها در ابعاد نانو می توانند وجود داشته باشند. همچنین محدوده فناوری نانو می تواند در ترکیبات بی شکل(آمورف)، کریستال ها، مواد آلی و غیرآلی نیز نقش پر رنگی ایفا کند.
اولین پایه تشکیل دهنده نانو مواد، نانو ذره است. منظور از نانو ذره، جسمی با ابعاد نانو متر در سه بعد می باشد که می تواند به صورت های مختلفی از جمله نانو مواد سرامیکی، فلزی وغیره وجود داشته باشد. دومین پایه تشکیل دهنده نانو مواد، نانو کپسول ها می باشند. نانو کپسول ها محفظه هایی هستند که قطر آنها از مرتبه نانو متر بوده و می توان مقدار محدودی نانو ذره در آنها نگاه داشت.
عنصر پایه ای دیگر، نانو لوله کربنی می باشد که در سال 1991 کشف شد] 4[. برای تولید نانو لوله کربنی روش های متفاوتی وجود دارد. یکی از این روش ها آن است که صفحه و یا صفحات گرافیتی را لوله کرده تا به شکل یک استوانه دربیاید. نانو لوله ها در اندازه ها و اشکال متفاوتی وجود دارند و می توانند تک دیواره یا چند دیواره باشند.
1-2) انواع نانو مواد:
نانو مواد صفر بعدی
به نانو موادی اطلاق می شود که هر سه بعد آن ها از 100 نانو متر کمتر باشد (مانند نانو ذرات و نانو پودر ها).
- نانو مواد یک بعدی
به نانو موادی گفته می شود که فقط دو بعد آن ها از 100 نانو متر کمتر باشد (مانند نانو نوار ها، نانو سیم ها، نانو لوله ها، نانو تسمه ها).
- نانو مواد دو بعدی
نانو موادی که فقط یک بعد آن ها از 100 نانو متر کمتر باشد (مانند نانو حلقه ها و نانو لایه ها).
- نانو مواد سه بعدی
نانو ساختار هایی که از ترکیب دو یا هر سه مورد بالا ساخته شده باشند. (مانند نانو کامپوزیت ها).
همان طور که قبلا بیان شد نانو فناوری کاربرد های فراوانی در زندگی امروز و آینده ما دارد که در زیر به اختصار به چند مورد آن می پردازیم.
1-3) کاربرد های نانو فنّاوری
1-3-1) کاربرد نانو فناوری در پزشکی
می توان با بهره گیری از نانو فناوری وسایل آزمایشگاهی جدیدی ساخت و از آنها در كشف داروهای جدید و تشخیص ژن های فعال با شرایط گوناگون در سلول ها، استفاده كرد و همچنین می توان در تشخیص بیماری ها و نقص های ژنتیكی از آن استفاده کرد.
امروزه محققان ذراتی به نام نانو لایه ساخته اند که می تواند امواج فروسرخ را جذب كند، از آنجا که طول موج فروسرخ قادر به نفوذ تا چند سانتی متری بدن می باشد، این نانو لایه ها بسیار مورد توجه قرار می گیرند. بدین ترتیب که نانو لایه هایی كه به بدن تزریق می شوند می توانند از بیرون با استفاده از منبع فروسرخ گرما داده شوند. چنین نانو لایه هایی را می توان به كپسول هایی از جنس پلیمر حساس به گرما متصل كرد که می توانند محتویات خود را فقط زمانی آزاد كنند كه گرمای نانو لایه متصل به آن باعث تغییر شكلش شود.
یكی از كاربردهای شگرف این نانو لایه ها در درمان سرطان است. می توان نانو لایه های پوشیده شده با طلا را به آنتی بادی هایی متصل كرد كه به طور مشخص به سلول های سرطانی متصل می شوند. اگر نانو لایه ها به مقدار كافی گرم شوند می توانند فقط سلول های سرطانی را از بین ببرند و به بافت های سالم آسیب نرسانند. این موضوع برای هزاران وسیله ریز دیگر نیز مطرح است كه برای كاربرد در پزشكی ساخته شده اند ]5[.
1-3-2) کاربرد نانو فناوری در کشاورزی
امروزه مصرف بی رویه آفت کش ها مشکلات زیادی را ایجاد کرده اند. این مشکلات شامل اثرات سوء بر سلامت انسان (ایجاد مسمومیت های حاد یا بیماری های مزمن) ، تاثیر این مواد بر حشرات گرده افشان و حیوانات اهلی مزارع و همچنین ورود این مواد به آب و خاک و تاثیر مستقیم وغیر مستقیم آن در این نظام های زیستی، می باشد. استفاده از نانو سم ها کارامد ترین راه برای حل مشکلات ذکر شده است. این داروهای در ابعاد نانو که قابلیت حرکت در گیاه را دارند در بسته هایی که حاوی نشانی خاصی هستند قرار می گیرند. این بسته ها دارای مشخصه ای هستند که به آن ها اجازه می دهد به بخشی از گیاه که مورد حمله عامل بیماری یا آفت قرار گرفته تحویل داده شود . این دارو های در ابعاد نانو، همچنین می تواند دوز لازم برای تحویل به سلول را تایین نمایند .در این روش نحوه ردیابی بافت آلوده و میزان کم، اما موثر دارو باعث می شود استفاده از سموم به حداقل برسد ]6[. بیماری های گیاهی از روی علائمی مانند تغییر رنگ یا تغییر شکل شناسایی می شوند، اما مسئله مهم اینجاست که این علائم مدتها بعد از ورود عوامل بیماری به بافت گیاه بروز پیدا می کنند. به همین دلیل ما نیاز به اقدامی سریع برای جلوگیری از شیوع بیماری داریم تا مانند گذشته شاهد از بین رفتن مقدار قابل توجهی از محصولات نباشیم که امروزه با استفاده از نانو حسگر های زیستی این امر میسر شده است. این حسگرها شامل ترکیبات زیستی مانند یک سلول، آنزیم و یا آنتی بادی متصل به یک مبدل انرژی هستند و قادرند که تغییرات ایجاد شده در مولکول های اطراف خود را گزارش دهند و بر اساس میزان تجمع عوامل بیماری در اطراف این حسگرها، سیگنال هایی به همان میزان فرستاده می شود . ارزیابی مقدار آلاینده ها در محیط توسط این حسگرها در چند دقیقه میسر خواهد بود ]7[.
1-3-3) کاربرد نانو فناوری در خودرو سازی
پوشش خودروها زمانی اهمیت پیدا می کند که خراشی روی سطح خودرو ایجاد شده و موجب پوسیده شدن و زنگ زدن و باد کردن بدنه شود. پوشش های نانومتری باعث بهبود خواص مکانیکی روکش خودرو و مقاومت در برابر عوامل مخرب خارجی میشوند. پوشش خودرو هم باید در برابر صدمات احتمالی وهم در برابر خوردگی، خراش، نور آفتاب، رطوبت، مواد شیمیایی و اسیدی مقاوم باشد و شفافیت خود را از دست ندهد. در کنار تمام این ها جاذبه رنگ خودرو برای جلب توجه بیننده به محصول، اهمیت زیادی داشته و بایستی دقت زیادی در آخرین پوشش بدنه خودرو شود. برای داشتن پوششی با ویژگی های فوق نمی توان از یک تک لایه بلکه باید از چند لایه استفاده کرد تا به کیفیت مطلوب رسید. پوشش ها معمولا ساختارهای چند لایه ای هستند که متشکل از سه قسمت لایه زیرین، لایه میانی و لایه فوقانی می باشند.
اکثر پوشش هایی که امروزه به عنوان لایه زیرین مورد استفاده قرار می گیرند، توانایی سازگاری با محیط و مقاومت در برابر عوامل خارجی را ندارند.
امروزه کارخانجات خودرو سازی با استفاده از نانو لایه ها، توانسته اند پوشش هایی تولید کنند که دو یا چند ویژگی لایه ها را با هم دارا باشد. این لایه ها نه تنها زیبایی منحصر به فردی به خودرو می دهند بلکه بدین معنی که می توان حداقل دو ویژگی همزمان مانند مقاومت بالا در برابر خوردگی و حرارت را دارا باشند. دیگر مشکلی که اکثر لایه ها دارند، تغییر رنگ آن ها در برابر پرتو های فرابنفش می باشد که این مشکل نیز توسط نانو لایه ها برطرف شده است ]8[.
1-4) هدف ما در این پایان نامه
ما می خواهیم خواص ترمودینامیکی 3He که سیالی فرمیونی بوده و از آمار فرمی- دیراک تبعیت می کند را در یک بعد و در دمای معین (1 تا 4 کلوین) محاسبه کنیم لذا برای ایجاد یک سیستم یک بعدی از نانو لوله کربنی بهره می بریم، زیرا :
1) نانو لوله های کربنی فقط یک بعد ماکروسکوپی دارند.
2) برهمکنش نانو لوله ها با هلیم بسیار ضعیف می باشد به نحوی که به راحتی می توان از آن صرفه نظر کرد ]9[.
3) از آنجا که دامنه دمایی سیستم مورد نظر ما (1 تا 4 کلوین) بسیار پایین می باشد، نانو لوله ها نباید رفتار جدیدی از خود نشان بدهند، که اینگونه نیز می باشد ]9[.
پس سیستم ما به N اتم 3He که در یک نانو لوله کربنی به طول L و سطح مقطع A وجود دارند تبدیل شد که دما و چگالی مورد بررسی بین 1 تا 4 کلوین و 001/0 تا01/0 A-1
می باشد.
دانلود پایان نامه ارشد :بررسی سطح مقطع پراکندگی و جذب سلولهای خورشیدی
جمعه 99/10/26
:
به دلیل افزایش جمعیت و بالارفتن مصرف انرژی در کشورهای درحال توسعه پیشبینی میشود تا سال 2030 سوختهای فسیلی دیگر جوابگوی نیازهای بشر نخواهند بود و جهان با بحران کمبود انرژی روبرو خواهد شد و برای حل این مشکل باید به سراغ منابع دیگر انرژی رفت. تلاش برای جایگزینی سوختهای فسیلی با سوختهای تجدید پذیر و پاک از نیمه دوم قرن 21 به صورت جدی آغاز شده و در سالهای اخیر دولتها سرمایهگزاریهای هنگفتی در این زمینه انجام دادهاند. در این بین سلولهای خورشیدی که برای استفاده از انرژی خورشید طراحی شدهاند جایگاه ویژهای در بین محققان پیدا کردهاند. از زمان پیدایش تاکنون نسلهای مختلفی از سلولهای خورشیدی ساخته شده که هرکدام نسبت به نسل قبلی برتریهایی داشتهاند. نوع اول به سلولهای فوتوولتاییک سیلیکون ویفری مشهور هستند و در حال حاضر بالای نزدیک به 70 درصد بازار را به خود اختصاص دادهاند. بیشتر از سیلیکون تک کریستالی و چند کریستالی استفاده میشود. بازدهی آنها هم تا بالای 20 درصد رسیده است. نوع دوم سلولهای خورشیدی فوتوولتاییک به سلولهای لایه نازک مشهور هستند. سیلیکون آمورف، کادمیوم تلوراید و موادی هستند که برای ساخت این نوع سلولها به کار میروند. بازدهی آنها به بالای 10% رسیده است ولی قیمت بر حسب وات خروجی پایین تری دارند. وزن پایین و شرایط کاری بهتر مزیت دیگر آنها هستند. نوع سوم سلولهای خورشیدی که در حال حاضر بیشتر توجهات جامعه علمی را به خود اختصاص دادهاند، شامل نانوکریستالهای حساس شده با رنگدانه[1]، فوتوولتاییکهای آلی بر پایه پلیمر، سلولهای خورشیدی چند پیوندی و سلولهای فوتوولتاییکی گرمایی هستند [1،2]. سلولهای چندپیوندی تقریباً 2 برابر توان خروجی بیشتر از نوع اول دارند. بازدهی تئوری آنها هم از انواع دیگر خیلی بیشتر است. بازدهی آنها به بالای 40%
رسیده است [3،4] و امروزه از آنها بیشتر در فضا پیماها و ماهوارهها استفاده میکنند. در حال حاضر انسان از بخش کوچکی از این انرژی استفاده میکند و دلیل آن در بازدهی پایین سلولهای خورشیدی موجود است. برای جبران این خلأ باید بازدهی و قیمت تمام شده سلول فوتوولتاییک کاهش یابد.
تلاش محققان بیشتر بر روی بازدهی بیشتر و قیمت ارزانتر متمرکز شده است. در سالهای اخیر محققان دریافتند که استفاده از نانوذرات در سلولهای خورشیدی فیلم-نازک باعث افزایش جریان فوتونی آنها میشود. این اثر به تحریک پلاسمونهای سطح نانوذرات توسط نور فرودی ربط داده میشود. بنابراین این نوع ساختارها به سلولهای خورشیدی پلاسمونی معروف شدند. نانو ذرات میتوانند در ابعاد و اشکال متنوعی ساخته شوند و بسته به روش ساخت میتوان نانو ذرات فلزی را به اشکال کروی، مثلثی، پنج ضلعی و شش ضلعی و اشکال تصادفی تولید کرد. به منظور استفاده از پتانسیل بالای نانو ذرات فلزی مراحل ساخت، فرایند شکلگیری و رشد را برای به دست آوردن نانو ذرات یکنواخت با اندازه و شکل معین میبایست کنترل کرد. گسترش روزافزون تحقیقات در حوزه حسگرهای پلاسمونی، موجب شکل گیری روشهای مختلف تئوری در توصیف عملکرد آنها شده است.
1-2 سیر تحول سلولهای خورشیدی فیلم-نازک
همانطور که گفتیم در حال حاضر بیشتر سلول های خورشیدی موجود در بازار بر پایه سیلیکون کریستالی ویفری هستند که ضخامتی در حدود 200 میکرون دارند. حدود 40% قیمت آنها برای ویفرهای سیلیکونیشان است. با نازکشدن لایهی سیلیکونی علاوه بر کاهش هزینه ساخت، مسیر انتشار حاملها کوتاهتر شده و در نتیجه بازترکیب حاملها کمتر میشود. بنابراین بیشتر تحقیقات در سال های اخیر بر روی ساخت سلولهای خورشیدی نازکتر و با بازدهی بیشتر متمرکز شده است. در حال حاضر این نوع سلولهای خورشیدی از نیمرساناهایی مانند کادمیوم-تلوراید، مس-ایندیوم و سیلیکون چند بلوری[2] بر روی زیرلایههای ارزانی چون شیشه و پلاستیک ساخته میشوند. مشکل اصلی این ساختارها جذب کم در ناحیه نزدیک گاف بود. این عیب برای نیمرساناهایی با گاف غیر مستقیم، برجستهتر است. بنابراین برای افزایش جذب، سلولهای خورشیدی باید طوری ساخته شوند که نور را در خود نگه دارد. در ابتدا برای محبوس سازی نور در سیلیکون از سلولهای ویفر مانند استفاده میکردند. در این روش هرمهایی با اندازه 2-10 میکرون برای محبوس سازی نور در سطح تزریق میشود. به هرحال هرمهایی با این ابعاد برای فیلمهای نازک کارایی ندارد. در مرحله بعد برای حل این مشکل ساختارهایی با ابعاد طول موج را روی زیر لایه نشاندند و سپس فیلم نازک را روی آن گذاشتند و جریان فوتونی[3] تا حد زیادی افزایش پیدا کرد [5] ولی در سطوح صاف بازترکیب حاملها افزایش مییابد که این اثر مخربی برای سلولهای خورشیدی است. یکی از راههایی که در سال های اخیر برای محبوس سازی نور در سلولهای خورشیدی فیلم نازک و افزایش جذب نور مورد استفاده قرار گرفته است، استفاده از پراکندگی از نانوذرات فلزی است که در فرکانس تشدید پلاسمون های سطحی تحریک شده اند[6-9]. این روش منجر به افزایش جریان فوتونی تا 16 برابر در طول موجهای بلند در سلول خورشیدی سیلیکون- عایق با ضخامت 25/1 میکرون شده است. همچنین در ناحیه طیف خورشید این افزایش تا 30% رسیده است[6].
1-3 پلاسمون
به نوسانات الکترونهای آزاد و سطحی یک محیط ، پلاسمون میگویند. از یک نمای کلاسیکی پلاسمونها میتوانند به عنوان نوسان چگالی الکترونهای آزاد نسبت به یونهای مثبت در یک فلز توصیف شوند. پلاسمونها کوانتوم نوسانات الکترونی میباشند. پلاسمون نقش عمدهای در خواص نوری فلزات دارد. نور با فرکانس کمتر از فرکانس پلاسما بازتاب و جذب میشود، زیرا نوسان الکترونها در فلز باعث پراکندگی و بازتاب نور میشوند. نور با فرکانس بالای فرکانس پلاسما از فلز عبور میکند، زیرا الکترونها نمیتوانند به اندازه کافی سریع نوسان کنند و نمیتوانند به این فرکانسها پاسخ سریع دهند. بسیاری از فلزات که فرکانس پلاسمای آنها درناحیه ماورایبنفش است در ناحیه مرئی بازتابنده هستند. برخی از فلزات، مانند مس و طلا، در ناحیه مرئی دارای گذارهای نوار الکترونی هستند. در نتیجه برخی طول موجها جذب میشوند. در نیمههادیها، فرکانس پلاسمای الکترون ظرفیت معمولاً در طولموجهای زیاد منطقه ماوراء بنفش است و به همین دلیل آنها نیز بازتابنده هستند[8].
میدانهای الکترومغناطیسی القایی میتوانند در هندسه و توپولوژیهای گوناگون وجود داشته باشند. برای مثال پلاسمونهای سطحی موضعی در نانوذرات فلزی که ناشی از نوسانات الکترونهای رسانش فلز هستند و با میدان الکترومغناطیسی کوپل شدهاند و تأثیر زیادی روی جذب و پراکندگی ذرات دارند را به صورت ساده زیر توضیح میدهیم.
رابطه پاشندگی برای این امواج با فرض تقریب الکترواستاتیک و حل معادلهی لاپلاس و در نظرگرفتن شرایط مرزی مناسب، بهدست میآیند. تقریب الکترواستاتیک تا زمانی که ابعاد سیستم از طول موج کوچکتر باشد معتبر است. بعد از بدست آوردن توزیع میدان میتوان وابستگی زمانی آن را لحاظ کرد. برای مثال ذره کروی فلزی با شعاع a در محیط دیالکتریکی و تحت تابش میدان E0 قرار گرفته است.
شکل (1-1) کره فلزی یکنواخت در میدان الکترواستاتیک
جواب معادلهی لاپلاس برای پتانسیل الکترواستاتیک در داخل و خارج کره به صورت زیر بدست میآید:
همانطور که از رابطه (1-3) مشخص است در ناحیههایی که کمینه است (شرط فرولیخ[5]) تشدید قطبشپذیری رخ میدهد و مد مرتبط را پلاسمون سطحی دوقطبی میگویند. میدان دوقطبی با کاهش مییابد بنابراین این میدانهای موضعی با فاصله گرفتن از سطح به سرعت کاهش مییابند. خاصیت تشدیدی قطبشپذیری روی جذب و پراکندگی نانوذره فلزی تاثیر میگذارد. سطح مقطع جذب و پراکندگی از رابطههای زیر بدست میآیند[8]:
(4) بنابراین میزان جذب و پراکندگی نانوذرات به اندازه آنها و طولموج نور فرودی بستگی دارد و در برخی از طول موجها بیشینه است. فرکانس تشدید به اندازه ذرات بستگی دارد. برای نانوذرات با شکلهای متفاوت میتوان میزان جذب و پراکندگی را استخراج کرد. |
-4 تاریخچه استفاده از نانوذرات در سلول خورشیدی
هال[6] برای اولین بار نشان داد که با نشاندن نانوذرات نقره روی لایه سیلیکونی با ضخامت 165 نانومتر می توان جریان فوتونی را تا 18 برابر در طول موج 800 نانومتر افزایش داد[10]. پس از آن گروهی دیگر با نشاندن نانوذرات طلا روی سلول خورشیدی ویفری در طول موج 500 نانومتر تا 80% عملکرد آن را بهبود بخشیدند[11]. درکاس[7] و همکارانش با نشاندن نانوذرات طلا روی لایه نازک بینظم سیلیکون توانستند بازدهی تبدیل سلول خورشیدی را 8% بالا ببرند[12]. سپس پیلای[8] با استفاده از نانوذرات نقره عملکرد یک سلول خورشیدی سیلیکون- عایق (سیلیکون روی عایق) با ضخامت 25/1 میکرون و یک سلول خورشیدی مسطح ویفری را به ترتیب 33% و 19% بهتر کردند[13،15]. استفاده از این نانوذرات در سلولهای خورشیدی که از سایر نیمرساناها استفاده میکنند هم باعث ارتقای عملکرد میشود[15-17].
افزایش جریان فوتونی به وسیله نانوذرات از دو طریق صورت میگیرد. اولی پراکندگی نور از طریق این نانوذرات و دومی تقویت نور میدان نزدیک[9] است. میزان هر دو اثر به شکل ذرات و ساختار سلول بستگی دارد [18-21].
دانلود پایان نامه ارشد :روش تصمیم گیری دسته جمعی جهت بهبود عملکرد الگوریتم نزدیکترین همسایه
جمعه 99/10/26
در دنیای امروزی حجم اطلاعات دیجیتالی به صورت روز افزونی در حال افزایش است. در همین راستا، به جهت مدیریت و بررسی علمی این اطلاعات، نیاز به پردازش هوشمندانه و خودکار این اطلاعات بیش از پیش احساس می شود.
یکی از مهم ترین این پردازش ها که در فناوری اطلاعات و ارتباطات مورد نیاز است، دستهبندی خودکار این اطلاعات می باشد. دسته بندی در مسائل متنوعی در فناوری اطلاعات به کار گرفته می شود، در مسائلی مانند امنیت اطلاعات، شناسایی نفوزگری در شبکه، دسته بندی کاربران بر اساس اطلاعات شخصی، پردازش تصویر و در واقع شناسایی هر گونه الگو بر اساس نمونهها و اطلاعات پیشین. این پردازش می تواند دسته[1]ی نمونههای جدید که به مجموعه اطلاعات اضافه می شود را پیش بینی نماید. از این رو در هوش مصنوعی توجه خاصی به توسعه انواع روشهای دستهبندی هوشمند و خودکار شده است.
روشهای دستهبندی
دستهبندی یکی از مهمترین شاخههای یادگیری ماشین[2] است. دستهبندی به پیشبینی برچسب دسته[3] نمونه[4] بدون برچسب، بر اساس مجموعه نمونههای آموزشی برچسبدار (که قبلا به با کمک یک کارشناس دستهبندی شدهاند) گفته میشود. درواقع دستهبندی روشی است که هدف آن، گروهبندی اشیا به تعدادی دسته یا گروه میباشد. در روشهای دستهبندی، با استفاده از اطلاعات بدست آمده از مجموعه نمونههای آموزشی، از فضای ویژگیها[5] به مجموعه برچسب دستهها نگاشتی بدست می آید که بر اساس آن، نمونههای بدون برچسب به یکی از دستهها نسبت داده میشود.
تفاوت روشها دستهبندی در چگونگی طراحی نگاشت است. در بعضی از آنها با استفاده از دادههای آموزشی مدلی ایجاد میشود که بر اساس آن فضای ویژگیها به قسمتهای مختلف تقسیم میشود که در آن، هر قسمت نشان دهندهی یک دسته است. در این گونه روشهای دستهبندی از مدل برای پیشبینی دستهی نمونه بدون برچسب استفاده شده و از نمونههای آموزشی به طور مستقیم استفاده نمی شود. یک نمونه از این دستهبندها، دستهبندهای احتمالی[8] میباشد. این گونه الگوریتمها، از استنتاج آماری برای پیدا کردن بهترین دسته استفاده میکنند؛ برخلاف سایر دستهبندها که فقط بهترین کلاس را مشخص میکنند الگوریتمهای احتمالی به ازای هر دسته موجود
یک احتمال را به عنوان تعلق نمونه به آن مشخص میکنند و کلاس برنده، بر اساس بیشترین احتمال انتخاب میشود. روشهای احتمالی در یادگیری ماشین معمولا با نام الگوریتمهای آماری نیز شناخته میشوند. در گروهی دیگر از روشهای دسته بندی، نمونه براساس خود مجموعه نمونهها و بدون ساختن مدل، به پیشبینی دستهی نمونه مورد نظر میپردازد. به این گونه الگوریتم های دستهبندی، نمونه- بنیاد[9] گفته میشود.
تاکنون الگوریتمهای متفاوتی به عنوان دستهبند ارائه شدهاند. از جملهی آنها میتوان به الگوریتم نزدیک ترین همسایهها[10] [1] ، دستهبند بیز[11][2]، ماشین بردار پشتیبان[3] و شبکه عصبی[12][4] اشاره کرد.
- ارزیابی دستهبند
اولین موضوعی که در مورد هر الگوریتم مورد توجه قرار میگیرد، کارایی و دقت آن الگوریتم است. در هوش مصنوعی، معیارهای متفاوتی وجود دارند که در مسائل مختلف و زیر شاخههای این علم استفاده میشود. در مورد کارایی یک دستهبند، به عنوان یکی از مسائل اصلی هوش مصنوعی، روشهای متنوعی وجود دارد که در این قسمت بررسی شدهاند.
معیار کارایی نظرگرفته شده برای یک دستهبند، ارتباط مستقیمی با کاربرد و ضمینه کار خاص آن دستهبند دارد. بنابراین در مسائل متفاوت، ممکن است معیارهای مختلفی برای اندازهگیری کارایی الگوریتم در نظرگرفته شود. همچنین همان طور که مشخص است، یک دستهبند که بتواند برای همه مسائل موجود بهترین جواب را ارائه دهد، وجود ندارد.
در بررسی آماری کارایی یک دستهبند، از یک مجموعه که شامل تعداد مشخصی نمونهی آموزشی دارای برچسب است استفاده میشود. برای این کار، قسمتی از این نمونهها و یا تمام مجموعه، به عنوان مجموعه آموزشی[13]، در اختیار دستهبند برای آموزش قرار میگیرد. پس از آموزش، دسته بند به وسیلهی زیرمجموعهای از نمونهها، به عنوان نمونههای آزمایشی، محک زده میشود. نمونههای موجود در مجموعهی آزمایشی، بسته به نوع آزمون کارایی، میتواند عضو مجموعه آموزشی بوده و یا متفاوت با آن باشند.
نرخ دستهبندی[14] یا صحت[15] پرکاربردترین و سادهترین معیار اندازهگیری کارایی هر دستهبند است. این معیار برابر است با نسبت تعداد نمونههای درست دستهبندی شده به تعداد کل نمونهها. براساس این تعریف، نرخ خطای دستهبندی از رابطه زیر بدست میآید:
مقادیر دقت[16] و بازخوانی[17] نیز معیارهای مناسبی برای ارزیابی دستهبندها میباشند. که اخیرا برای ارزیابی رقابت[18] بین اشتباه-مثبت[19] و درست-مثبت[20] استفاده میشود. در ادامه این معیارها معرفی میشود.
- معیاردقت : احتمال مثبت بودن نمونههایی که مثبت اعلام شدهاند.
معیار بازخوانی : احتمال مثبت اعلام کردن نمونههای دسته مثبت.
معیار اختصاص[21]: احتمال منفی اعلام کردن نمونههای دسته منفی.
که در این معیارها، دسته مثبت، دسته مورد بررسی است و دسته منفی به سایر دستهها گفته میشود.
- تصدیق متقابل[22]
یک روش برای ارزیابی آماری دستهبند، تصدق متقابل[5] میباشد. در این تکنیک برای ارزیابی کارایی دستهبند، نمونهها را به صورت تصادفی به دو گروه که مکمل یکدیگر هستند، تقسیم میکنند. با یک گروه سیستم را آموزش داده و با گروه دیگر سیستم آموزش دیده را مورد آزمایش قرار میدهند. با این کار از تطبیق بیش از حد[23] مدل بر روی دادههای آموزشی جلوگیری میشود و نتایج بدست آمده از ارزیابی، دارای درجه اطمینان بیشتر خواهد بود. برای اطمینان بیشتر از نتایج، تصدیق متقابل در چندین مرحله صورت تکرار شده و در هر مرحله، از تقسیمبندی متفاوتی برای نمونهها استفاده میشود. در پایان از نتایج تمامی تکرار آزمایشها میانگینگیری صورت میگیرد.
در ادامه روشهای مختلف تطبیق متقابل توضیح داده میشود.
- تصدیق زیر گروه تصادفی[24]: در این روش، نمونهها به صورت تصادفی به دو گروه آموزشی[25] و آزمایشی[26] تقسیم میشوند. سپس دستهبند به وسیلهی نمونههای آموزشی، آموزش داده میشود و با استفاده از مجموعه دیگر آزمایش شده و کارایی محاسبه میشود. این عملیات چندین بار انجام میگیرد و در نهایت میانگین آنها به عنوان کارایی دستهبند ارائه میشود. با توجه به تصادفی انتخاب شدن مجموعههای آموزشی و آزمایشی، مهمترین مشکل این روش امکان عدم انتخاب بعضی از نمونهها به عنوان عضو یکی از دو گروه و یا انتخاب بیش از یک بار بعضی از نمونهها میباشد.
- تصدیق متقابل k قسمت[27]: در روش ابتدا مجموعه نمونهها به K دسته تقسیم میشوند. در هر مرحله نمونههای k-1 دسته به عنوان مجموعه آموزشی در نظر گرفته میشود و با استفاده از یک دسته دیگر کارایی سیستم دستهبند ارزیابی میشود. در نهایت کارایی سیستم برابر با میانگین کارایی در همه مراحل میشود. در این روش از همه نمونهها برای آموزش و آزمایش استفاده میشود.
تصدیق یکی در مقابل بقیه[28]: یک روش دیگر، تصدیق یکی در مقابل بقیه است. در این روش، هر نمونه یک بار به عنوان نمونه آزمایشی انتخاب میشود و از سایر نمونهها برای آموزش استفاده میشوند. این روش بر روی تمامی نمونهها انجام میشود. در پایان، کارایی الگوریتم برابر نسبت تعداد نمونههای درست دستهبندی شده به کل است.
- الگوریتم نزدیکترین همسایه
یکی از الگوریتمهای معروف دستهبندی، الگوریتم نزدیک همسایه است؛ با این که از معرفی آن چندین دهه میگذرد، این روش همچنان محبوب بوده و کاربرد بسیاری در مسائل مختلف دارد. دلیل این موضوع سادگی پیادهسازی و کارایی بالا این روش است. به علاوه، این الگوریتم را به سادگی میتوان در مسائل مختلف به کار برد. الگوریتم نزدیکترین همسایه از یک قانون بسیار ساده در عمل دستهبندی استفاده میکند. نمونههایی که شباهت بیشتری با یکدیگر دارند(در فضای ویژگیها در نزدیکی یکدیگر قرار گرفتهاند)، به احتمال بالا در یک دسته قرار دارند. بر طبق این، در الگوریتم نزدیکترین همسایه، برای بدست آوردن دستهی نمونهی پرسوجو شده[29]، بر اساس یک معیار شباهت(تفاوت)[30]، نزدیکترین نمونه، از مجموعهی نمونههای آموزشی تعیین میشود. سپس الگوریتم دستهی این نمونه را به عنوان دستهی نمونهی پرسوجو شده اعلام میکند.
به عنوان مثال، شکل 1 نحوه بدست آوردن دستهی نمونهی پرسوجو شده را توسط الگوریتم نزدیکترین همسایه، در یک فضای ویژگی دو بعدی و در مسئلهای با سه دسته نمایش میدهد. در این مثال، از معیار فاصله اقلیدسی برای بدست آوردن نزدیکترین همسایه استفاده شده است.
دانلود پایان نامه ارشد : کاهش انرژی مصرفی در محیط ابرواره با استفاده از مهاجرت
جمعه 99/10/26
در این فصل ابتدا به توضیح مصرف برق در رایانه پرداخته میشود. سپس مصرف انرژی در مراکز داده و در نهایت مجازی سازی شرح داده میشوند.
1-1- مصرف انرژی در رایانه
مصرف برق در رایانه را میتوان به دو بخش تقسیم نمود:
ایستا: بخشی از انرژی مصرفی رایانه است که تنها صرف روشن بودن سیستم میگردد و به میزان کاری که سیستم انجام میدهد ارتباطی ندارد. این سطح از مصرف انرژی سبب روشن و آماده به کار نگاه داشتن سیستم شده و از لحظهای که سیستم روشن میشود مصرف میگردد. بخش زیادی از این انرژی در واقع اتلاف به طرق مختلف و در سطوح مختلف سخت افزار است؛ مانند نشت جریان در مدارات مجتمع[1].
پویا: بخشی از انرژی مصرفی رایانه است که صرف انجام فعالیتهای سیستم میگردد و با توجه به میزان بار[2] روی بخشهای مختلف یک سیستم (مانند: پردازنده، حافظه[3]، دیسک سخت[4]، کارت گرافیکی[5] و …) متغیر است.
شاید تصور شود که مصرف حالت بیکار یک رایانه کم یا قابل چشم پوشی است زیرا این سهمی از انرژی است که در زمانی که رایانه کار مفیدی انجام نمیدهد مصرف میکند، ولی بر خلاف تصور، یک سرور هنگام بیکاری حدود60 تا 70 درصد از بیشینهی توان[6] مصرفی خود را مصرف میکند [Barroso, 2007] و [Fan, 2007] و [Lefurgy, 2007]. بیشینه توان مصرفی یک رایانه هنگامی است که با حداکثر توان پردازشی[7] خود کار میکند.
1-2- مراکز داده و مصرف انرژی در آنها
یک مرکز داده ساختمانی است، شامل تعداد زیادی رایانه (سرور) و قطعات مورد نیاز آنها مانند سوئیچهای شبکه و منابع انرژی پشتیبان [Kumar, 2009].
مصرف انرژی یک مرکز داده حاصل مجموع مصرف انرژی سرورهای موجود در آن به علاوهی مصرف انرژی امکانات دیگر مانند سرورهای ذخیره سازی[8] ، سیستمهای خنک کننده، تجهیزات شبکه و … است.
نکتهی قابل توجه در این مورد، سهم تقریباً 50 درصدی سرورها در مصرف انرژی مرکز داده است. به بیان دیگر تنها نیمی از انرژی مصرفی یک مرکز داده صرف پردازش و پاسخ به درخواستها میگردد و مابقی صرف موارد دیگر که مهمترین آن سیستمهای خنک کننده هستند میگردد. شکل 1-1 که نمایش تفکیک انرژی مصرفی یک مرکز داده است، به خوبی گویای این مسئله است:
شکل 1-1 نمودار تفکیکی انرژی مصرفی مرکز داده [Iyengar, 2010]
در مورد میزان مصرف انرژی در مراکز داده آمارها نشان میدهند علاوه بر چشمگیر بودن این مقدار، روند رو به رشدی از لحاظ مقدار و
سهم از مصرف کل انرژی جامعه دارد [Koomey, 2011]. شکل 1-2 نمایانگر این موضوع است.
شکل 1-2 نمودار میزان(محور عمودی) و سهم (درصدهای بالای ستونها) مصرف انرژی مراکز داده در سطح جهان (سمت راست) و ایالات متحده (سمت چپ) در سالهای 2000، 2005 و 2010 میلادی [Koomey, 2011].
بر اساس تحقیقات انجام شده [Barroso, 2007] ، [Boher, 2002] ، [Rangan, 2008] و [Siegele, 2008]، متوسط بکارگیری[9] سرورها در یک مرکز داده کمتر از 30 درصد است و یک سرور تنها در 10 درصد اوقات بکارگیری نزدیک به بیشینه دارد [Armbrust, 2010].
از اینرو با توجه به سهم مصرف انرژی یک سرور در حالت بیکاری، مشاهده میگردد که سهم قابل توجهی از انرژی مصرفی مراکز داده به هدر میرود.
1-3- مجازی سازی
مجازی سازی ابتدا در سالهای 1970 میلادی برای استفادهی همزمان چندین کاربر از یک سیستم ارائه شد [Bugnion, 1997]. طی سالهای گذشته کارهای زیادی در زمینهی فنآوری مجازی سازی انجام شده است و به مرور تواناییهایی بر آن افزوده شده که شاید در ابتدای ارائهی ایده، جزء اهداف اصلی نبودهاند[Bugnion, 1997] و [Barham, 2003] و [Clark, 2005] و [Walters, 1999].
امروزه مجازی سازی به انضمام ابزارهایی که به آن افزوده شده است ویژگیهایی مانند افزایش امنیت کاربران به خصوص درفضاهای غیر همکار، افزایش بهرهوری سرورها، ایجاد بستر مناسب برای اجزای نرم افزارهای مختلف تحت سیستم عاملهای متفاوت و به صورت همزمان، ساده سازی سرویس و نگهداری سیستمها در مراکز داده، ایجاد امکان توازن بار[10] بین سرورهای مختلف و … را عرضه میکند که سبب شده است بیشتر صنعت به خصوص مراکز داده به سمت استفاده از این فنآوری سوق پیدا کنند آنگونه که امروزه تقریباً تمامی مراکز داده در جهان از این فنآوری بهره میگیرند [Armbrust, 2010]. چنین محیطهایی متشکل از مجموعهای از رایانهها که برای ارائه سرویسهای خود از فنآوری مجازی سازی استفاده میکنند را “ابرواره”[11] مینامیم. در واقع ابرواره همان مراکز داده هستند که سرویسهای خود را روی شبکه و در در قالب بستههایی از سخت افزار که به واسطهی مجازی سازی شکل گرفتهاند ارائه میدهند [Armbrust, 2010] و [Armbrust,2009]. این بستههای سخت افزار را به انضمام سیستم عامل درون خود “ماشین مجازی”[12] مینامیم.
مهاجرت ماشین مجازی[13] جزء قابلیتهایی است که مدتی پس از ظهور مجازی سازی به آن اضافه شد و به طور خلاصه عبارت است از انتقال ماشین مجازی از روی یک سرور به سرور دیگر. مهاجرت ماشین مجازی می تواند به صورت زنده[14] باشد به شکلی که کاربر نهایی[15] که از ماشین مجازی مهاجرت کننده سرویس می گیرد متوجه هیچگونه اختلالی در دریافت سرویس نشود و به عبارتی اصلاً جابجایی ماشین مجازی سرویس دهنده خود را متوجه نشود [Clark, 2005]. در شکل 1-3 طرحی از مهاجرت ماشین مجازی بین دو سرور فعال نمایش داده شده است.
شکل 1-3 نمایی از مهاجرت ماشین مجازی [Clark, 2005]
اگر بخواهیم مهاجرت ماشین مجازی به صورت زنده را دقیقتر بررسی نماییم، در واقع وقفهای در ارائه سرویس پیش میآید که این تاخیر بین 60 تا 300 میلی ثانیه خواهد بود [Clark, 2005]. به هر حال از دید کاربر و پاسخ به درخواستها مهم این است که می توان بدون بروز مشکل یا پرداخت هزینهی زمانی و مصرف انرژی بالا ماشینهای مجازی را بین سرورهای مختلف جابجا نمود [Liu, 2011].
1-4- ساختار پایان نامه
در فصل دوم، به بیان مفاهیم و مرور کارهایی که در این زمینه صورت پذیرفته است خواهیم پرداخت. فصل سوم به بیان مدل پیشنهادی برای کاهش مصرف برق در مراکز داده اختصاص دارد. در فصل چهارم نحوهی پیاده سازی، محیط و چگونگی انجام تستها را شرح خواهیم داد. جمع بندی نتایج و پیشنهادها برای کارهای بعدی در فصل پنجم ارائه میگردد.
2- پیشینهی تحقیق
مصرف انرژی عظیمی که در مراکز داده صورت میگیرد باعث تحمیل هزینههای گزاف و مشکلات جانبی مانند گرمتر شدن کرهی زمین و تشدید بحران انرژی میشود. در چنین شرایطی تلاش برای صرفه جویی در این انرژی اهمیت ویژهای پیدا میکند به خصوص با توجه به اتلاف انرژی که در این مراکز رخ میدهد. از اینرو در این زمینه کارهایی زیادی صورت پذیرفته است که در این فصل به بیان آنها خواهیم پرداخت.
2-1- صرفه جویی در انرژی مصرفی رایانه
روشهای صرفه جویی در انرژی مصرفی یک رایانه، با توجه به اینکه کدام بخش از انرژی مصرفی را هدف صرفه جویی قرار میدهند به دو بخش تقسیم میشوند.
2-1-1. صرفه جویی در انرژی پویا
توان پویا بخشی از توان مصرفی است که ناشی از تناوب جریان و فرکانس کار قطعات میباشد. برای کاهش این بخش از توان مصرفی، روشهایی در سطح سخت افزار و نرم افزار وجود دارد.
در سطح سخت افزار، با ایجاد تغییرات و بهبود کارایی قطعات در هنگام طراحی و ساخت آنها، مانند هرچه بیشتر متمرکز نمودن مدارات، استفاده از آلیاژها و رساناها با قابلیت هدایت بالاتر، کاهش آستانهی معنی دار بودن ولتاژ میتوان انرژی مصرفی را کاهش داد. اینگونه تغییرات باعث کاهش کلی مصرف انرژی یک سیستم میشود صرف نظر از اینکه سیستم در چه محیطی و تحت چه شرایطی کار می کند.
ایجاد قابلیتهایی در سخت افزار که امکان کمتر نمودن مصرف انرژی را در حالات خاص و در سطحی بالاتر فراهم میآورد. مانند پیشبینی چند حالت مختلف عملکرد برای پردازنده اصلی[16] و قرار دادن امکان انتخاب این حالات در سطح نرم افزاری تا در هنگام کار کرد سیستم، سیستم عامل بتواند با توجه به شرایط کاری حالت بهینه عملکرد را با توجه به میزان مصرف انرژی تعیین کند. قراردادن قابلیتهای بیشتر و دقیقتر همراه با بهرهگیری صحیح از این قابلیتها نیز می تواند سبب کاهش مصرف انرژی گردد.
از جمله مهمترین روشهای این دسته میتوان از “مقیاس سازی پویای ولتاژ و فرکانس[17]” (DVFS) نام برد [Weiser, 1995] و [Semeraro, 2002] . در این روش با استفاده از پشتیبانی در نظر گرفته شده در پردازندهی اصلی، فرکانس کار پردازنده با توجه به حجم بار پردازشی آن در هر لحظه تغییر میکند. این کار باعث میگردد تا در زمانهایی که نیازی به حداکثر توان پردازنده وجود ندارد، فرکانس کاری آن پایین بیاید و از آنجا که این کار با کاهش ولتاژ صورت میگیرد، عملاً توان مصرفی پردازنده با نسبت توان سوم فرکانس کم میشود. امروزه تمامی پردازندههای جدید از این قابلیت برخوردارند ولی از آنجا که مصرف پردازنده بخش کمی از مصرف کل یک سرور را تشکیل میدهد (و این سهم با پیشرفت فناوری رو به کاهش است) [Fan, 2007] علیرغم بهره گیری از این روش هنوز میزان اتلاف انرژی چشمگیری در سرورها وجود دارد.
در سطح نرم افزاری نیز در سیستم عاملهای جدیدتر پیشبینیهایی برای بهره بردن از تواناییهای سخت افزار و راه های دیگر کاهش مصرف انرژی صورت گرفته است مانند کم کردن نور صفحه یا خاموش کردن نمایشگر[18] و یا قرار دادن کل سیستم در حالتی که سطح توان پردازشی و در نتیجه مصرف انرژی پایینتر باشد [Weiser, 1996] در مواقعی که نیازی به حداکثر توان پردازشی سیستم نیست.
2-1-2. صرفه جویی در انرژی ایستا
روشهایی که حذف اتلاف ناشی از توان ایستا را هدف قرار دادهاند، را میتوان در دوسطح سخت افزاری و نرم افزاری طبقه بندی نمود.
یک سرور هنگامی که روشن است و صرف نظر از میزان کاری که انجام میدهد، توان ایستای خود را مصرف میکند. روش های نرم افزاری عموماً با قرار دادن سرور بیکار[19] در حالتی که مصرف انرژی کمی دارد (مانند خواب[20]) و یا خاموش نمودن آن سعی در حذف کل این بخش از مصرف انرژی دارند. البته بدیهی است که این روش فقط قابل استفاده در مورد سرورهای بیکار است و اگر سروری حتی به میزان بسیار کمی هم از منابعش استفاده نماید، این روش در مورد آن قابل انجام نیست (و یا باید با روشی مانند آنچه در این پایان نامه ارائه و پیاده سازی شدهاست، ابتدا سرور را به حالت بیکار برده و سپس اقدام به خاموش نمودن و یا به خواب بردن آن سرور شود).
روشهای سخت افزاری با بهره گیری از فناوری جدیدتر و با انجام تغییرات و بهینه سازی در سطح معماری سخت افزار، منطق و یا الگوی مدارات سعی در کاهش نشتیهای جریان و سایر اتلافهای انرژی موجود در مدارات دارند. در واقع با بهینهتر شدن و نیز با بکارگیری انواع روشهای بستهبندی[21] مدارات سعی در کاهش حجم قطعات دخیل در انجام یک عمل خاص و همچنین اتلاف کمتر در سطح همین عده از قطعات الکترونیکی میشود که این عوامل باعث کاهش اتلاف توان ایستا در سرورها خواهند بود.
مزیت روشهای سخت افزاری به نرم افزاری در این است که این روشها در تمام حالات یک سرور کارایی خود را حفظ میکنند.
در بخش قبلی ذکر شد که با پیشرفت فناوری سهم توان پویا کمتر میگردد و از طرف دیگر به دلیل افزایش تراکم قطعات الکترونیکی در مدارات مجتمع و نشتی جریان ناشی از این افزایش تراکم، سهم توان ایستا بیشتر و بیشتر میگردد. از اینرو حذف اتلاف انرژی در این بخش اهمیت بیشتری مییابد.
روشهایی که کاهش مصرف پویای انرژی را مد نظر قرار دادهاند، به شرطی میتوانند در سطح کل سیستم یا چند سیستم صرفه جویی قابل توجهی کنند که قطعهی هدف آنها کسر بزرگی از کل انرژی مصرفی را به خود اختصاص دهد. در این میان پردازنده هم به خاطر میزان مصرف زیاد و هم به دلیل متغیر بودن زیاد سطح مصرف در عملکردهای گوناگون (آنگونه که در DVFS انجام میشود) بیشتر مورد توجه قرار گرفته است. اما نشان داده شده است که حتی پردازنده هم، الزاماً در هر سیستم و هر شرایط مصرف کنندهی غالب در سیستم نیست؛ سهم فعلی مصرف پردازنده از مصرف کل سیستم حدود 25 درصد است که این سهم رو به کاهش است [Laudon, 2006] ، [Fan, 2007] و [Lefurgy, 2003].
مشاهدات نشان میدهد که در سرورهای مختلف میزان و سهم مصرف قطعات با یکدیگر متفاوت است و هیچ یک از قطعات مصرف کنندهی غالب نیست [Meisner, 2009]. شکل 2-1 نشان دهندهی همین وضعیت است؛ این نمودار، تفکیک[22] مصرف انرژی قطعات مختلف سخت افزار متعلق به سرور IBM p670 [Lefurgy, 2003] و Sun UltraSparc T2000 [Laudon, 2006] و یک سرور نوعی مشخص شده توسط شرکت Google [Fan, 2007] میباشد. همانطور که در این نمودار مشاهده میشود، سهم مصرف قطعات مختلف سخت افزار در سرورهای مختلف متفاوت است و در عین حال هیچکدام از قطعات مصرف کنندهی غالب انرژی نیستند.
دانلود پایان نامه ارشد : شناسایی مشخصه های مناسب موجود در متن جهت رفع ابهام معنایی
جمعه 99/10/26
تولید حجم عظیمی از مقالات و مستندات، جامعهی علمی را بر آن داشت تا با بهرهگیری از مزایا و تواناییهای روشهای خودکار جهت پردازش این متون، به حوزهای تحت عنوان پردازش زبانهای طبیعی[1] روی آورد. همچنین با توجه به وجود لیستی از معانی کلمات و عبارات یا همان دیکشنری و حتی اختصاص موسساتی جهت تعیین نحوهی استفاده از یک زبان در برخی از کشورها، اینطور به نظر میرسد که امکان مکانیزه کردن فهم یک زبان توسط کامپیوتر وجود دارد [1].
مبحث پردازش زبانهای طبیعی خود زیرمجموعهای از حوزهی گستردهی هوش مصنوعی است که توجهات دانشمندان و محققان فراوانی را به خود معطوف کرده است. شاید به ظاهر زبانهایی که ما در زندگی روزمره برای ایجاد ارتباط با دیگران به کار میگیریم، ساده باشند. اما در حقیقت این زبانهای انسانی پیچیدگیهای فراوانی دارند که همین پیچیدگیها منجر به شکلگیری زیرشاخههای متعددی همچون ترجمهی ماشینی[2]، بازیابی اطلاعات[3]، پردازش متون[4]، تشخیص صحبت[5]، تحلیل گرامری[6] ، رفع ابهام معنایی[7] و غیره در زمینه پردازش زبانهای طبیعی شده است.
در بین مباحث متفاوتی که در زمینه پردازش زبانهای طبیعی موجود است، برای اینجانب ابهام معنایی[8] جذابیت بیشتری داشته که در
این پایاننامه به این موضوع پرداختهام. ابهام معنایی یکی از مباحث پیچیده و در عین حال پراهمیت است که در شاخههایی نظیر ترجمهی ماشینی و بازیابی اطلاعات نیز مطرح بوده و بعنوان جزء جدایی ناپذیری از اینگونه سیستمها دارای ارزش و حائز اهمیت است.
در واقع این مبحث نشأت گرفته از ابهامی است که در زبانهای طبیعی نهفته است؛ هرچند که وجود این ابهامها در اکثر مواقع از دید انسان پوشیده است. آنچه ابهامهای موجود بین سخنگویان بومی را مرتفع میسازد توانش زبانی آنها، اطلاعات آنها در خصوص جهان پیرامون، طرح پرسش مجدد در صورت وجود یا احساس ابهام و بطور کلی مجموعهای از اطلاعات زبانی و غیرزبانی است که سخنگویان بومی به آن مجهزند [40].
مسألهی ابهام معنایی شامل تشخیص معنای صحیح یک کلمه با توجه به متنی است که در آن آمده است و در زمینه پردازش زبانهای طبیعی به آن رفع ابهام معنایی گفته میشود. این مهم در بسیاری از شاخههای پردازش زبانهای طبیعی نیز مطرح بوده و کاربرد دارد که در این میان اصلیترین و مشهودترین مورد استفادهی آن در شاخهی ترجمهی ماشینی است. لذا در این فصل ابتدا اشارهی کوتاهی به گسترهی پردازش زبانهای طبیعی و زیرشاخههای آن داشته، سپس مختصری به شرح مفهوم ترجمهی ماشینی و روشهای آن میپردازیم.
1-2- پردازش زبانهای طبیعی
پردازش زبانهای طبیعی كه معمولاً به اختصار به آن NLP گفته میشود یکی از نیازهای عصر فناوری جهت استفادهی بهینه از منابع اطلاعاتی است که امروزه با رشد حجم مستندات تولید شده و نیاز به نگهداری، دسته بندی، بازیابی و پردازش ماشینی و سریع آنها، توجه به این شاخه بیش از پیش خودنمایی میکند.
زبان طبیعی، زبانی است که ما در تعاملات اجتماعی روزمره با استفاده از آن مینویسیم و صحبت میکنیم. زبانهای طبیعی متنوع و فراوانی وجود دارند که ممکن است فرم گفتاری و نوشتاری متفاوتی داشته باشند و از هم مستقل باشند. پردازش زبانها و مکالمات طبیعی یکی از اموریست که با ورود فناوری رایانهای به زندگی بشر مورد توجه بسیاری از دانشمندان قرار گرفته است. حتی اندیشهای که آلن تورینگ[9] از ماشین هوشمند خود و تعریفی که او از هوش مصنوعی[10] داشت، در مرحلهی اول مربوط به پردازش زبانهای طبیعی میشد. بعلاوه تلاشهای بسیاری توسط بشر برای پیگیری این امر صورت گرفته بود که به عنوان مثال ماشین لیزا یکی از محصولات این تلاشهاست. ماشین لیزا ماشینی بود که با تایپ از راه دور با یک انسان، جملات او را پردازش میکرد و جوابی درخور به او میداد.
بنابراین میتوان گفت که یکی از زیرشاخههای با اهمیت در حوزهی گستردهی هوش مصنوعی پردازش زبانهای طبیعی است؛ تا حدی که بسیاری از متخصصین در زمینه هوش مصنوعی بر این باورند كه مهمترین وظیفهای كه هوش مصنوعی باید به آن بپردازد NLP است. دلیلی كه ایشان برای این اعتقاد خود ارائه میكنند آن است كه پردازش زبان طبیعی راه ارتباط مستقیم انسان و كامپیوتر را از طریق مكالمه باز میكند. به این ترتیب دیگر برنامه نویسی معمولی و قراردادهای مربوط به سیستمهای عامل كنار گذاشته خواهد شد. همچنین اگر یك كامپیوتر بتواند یك زبان انسانی را درك كرده و به وسیلهی آن صحبت كند، دیگر به بسیاری از وظایفی كه باید توسط مهندسین نرم افزار طراحی شوند نیازی نخواهد بود. اما ابعاد و پیچیدگیهای زبانهای بشری دستیابی كامل به این قابلیت را دشوار ساخته است.
در پردازش زبانهای طبیعی، سعی میشود تا قابلیت درك دستوراتی كه به زبانهای انسانی استاندارد نوشته شدهاند، به كامپیوتر داده شود. یعنی كامپیوتری داشته باشیم که قادر باشد زبان انسان را تحلیل كند، بفهمد و حتی بتواند زبان طبیعی تولید كند. بدیهی است كه در راستای تحقق این هدف، نیاز به دانشی وسیع از زبان است. بنابراین علاوه بر محققان علوم كامپیوتر، دانش زبانشناسان نیز مورد لزوم میباشد. در زمینه پردازش زبانهای طبیعی باید پاسخ چهار سوال زیر مورد مطالعه قرار گیرد:
- یک زبان از چه کلماتی تشکیل شده است؟
- چگونه کلمات ترکیب میشوند تا جملات زبان تشکیل شوند؟
- معنی کلمات زبان چیست؟
- معانی کلمات چگونه به کار گرفته میشوند تا معنی جملات ساخته شود؟
در حقیقت هدف اصلی در NLP، ماشینی کردن فرایند درک و برداشت مفاهیم بیان گردیده با یک زبان طبیعی انسانی میباشد. به تعریف دقیقتر پردازش زبانهای طبیعی عبارت است از استفاده از کامپیوتر برای پردازش زبان گفتاری و نوشتاری به نحوی که کامپیوترها از زبان طبیعی به عنوان ورودی و خروجی استفاده نمایند. بدین وسیله میتوان به ترجمهی زبانها پرداخت، از صفحات وب و بانکهای اطلاعاتیِ نوشتاری جهت پاسخ دادن به پرسشها استفاده کرد، یا با دستگاهها مثلاً برای مشورت گرفتن به گفتگو پرداخت.
به طوركلی نحوهی كار این شاخه این است كه زبانهای طبیعیِ انسان را تقلید كند. در این میان، پیچیدگی انسان از بعد روانشناسی بر روی ارتباط متعامل تأثیر میگذارد. لذا پردازش زبانهای طبیعی رهیافت بسیار جذابی برای ارتباط بین انسان و ماشین محسوب میشود و در صورت عملی شدنش به طور کامل، میتواند تحولات شگفتانگیزی را در پی داشته باشد. شکل زیر یک شمای کلی از معماری پردازش زبانهای طبیعی را نشان میدهد: