新型編程語言：讓「能量採集的計算機」運行地更可靠
(圖片來源於：卡耐基梅隆大學電氣和計算機工程專業)
引言
「能量採集的計算機」，即無需電池和外接電源，可以吸收自然界中能量的計算機。這種計算機最大的問題，是由於外界能量源的不穩定，從而導致「間歇性運行」，所以一種稱為「Chain」編程語言應運而生，以應對這個問題，保證計算機系統即使在能量供給不穩定的情況下，也可以有效的運行。
「能量採集的計算機」及其問題
一種革命性的新型計算機系統的運行即不需要電池，也不需要電源插座，而是從周圍環境中獲取能量，所以它成為「能量採集的計算機」。雖然無線電波、太陽能、熱能、以及振動都可以成為設備能量的來源，但是這些能量源通常比較薄弱，會導致「間隙性運行」即周期性的斷電和不可靠的運行。
新型編程語言提供有效解決方案
卡耐基梅隆大學電氣和計算機工程專業的助理教授 Brandon Lucia，和他的博士生 Alexei Colin 首次設計了一種用於構建可靠軟體的編程語言，針對間隙性能量採集的計算機。Colin 將在2016年11月3日於荷蘭阿默斯特丹召開的SPLASH會議上發表這項研究。
Lucia 解釋道：
「環境中的能量，對於設備來說不是一直可以持續獲取的。間隙性運行使得應用變得複雜，因為現有的軟體編程語言以及程序員，都認為能量是一種可以持續獲取的資源。」
新型編程語言的簡介和原理
這種新型的編程語言，稱為「Chain」（https://github.com/CMUAbstract/libchain），需要應用程序開發者定義一系列的計算任務，通過一種稱為「通道」的新型方法，操作計算機的內存，進行計算和交換數據。「Chain」保證了任務即使在電源故障的情況下，也可以正確執行。
Lucia 認為：
「在能量不是持續可用的情況下，電源故障會中斷軟體的執行，通常導致一些無法恢復的錯誤。Chain 通過在程序中定義計算任務，使用一種基於通道的新型內存抽象化辦法，保證任務可以無錯運行。」
基於通道的內存是 Chain 能夠避免軟體錯誤的關鍵，無論何時發生電源故障，通道都可以保證計算性任務原封不動地保證數據，以便當電源恢復時使用。在故障後，重啟 Chain 程序的時間成本幾乎為零，因為 Chain 並不依賴昂貴的傳統方案，例如內存檢測點。由於能量的極度匱乏，所以高效的重啟對於能量採集類型的應用來說很有必要，這些應用包括物聯網（IoT）設備、可植入或者可吸收的醫療設備。
Lucia 認為：
「Chain 為現今和未來的能量採集應用奠定了良好的基礎，它存在在常見且靈活的編程介面中，提供了一種重要的可靠保障。」
未來應用
Lucia 、Colin 、匹茲堡迪士尼研究合作者 Alanson Sample 博士，一起合作推進 Chain 成為現實應用。明年早些時候，他們將與納米衛星公司 KickSat 合作，Chain 編寫的軟體將攜帶在郵票大小的衛星上，衛星將在近地軌道運行。這些衛星一旦進入軌道，將使用微型太陽能板獲取能量，以供給它們採集和處理感測器數據，將數據發回地球。當衛星通過太陽能供電時，Chain 將為這些衛星的軟體正確性提供強有力的保障，以確保持續有效的運行。
Lucia 認為：
「可靠的能量採集的計算機系統所帶來的好處是長遠的。小型衛星的數量在激增，太空產業本身也在不斷增長。如果我們可以保證這些能量採集的微型衛星可以不間斷運行，那麼就可以更容易地在太空展開科學研究。更長遠地說，在這項技術的基礎上，我們未來將開展例如外星自然資源探索等的應用。」
參考資料
【1】http://phys.org/news/2016-10-energy-harvesting-reliable.html
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