Компьютер будущего может снизить тепловыделение за счет синхронизации задачи с колебаниями температуры

• Новый метод может позволить современным процессорам выполнять вычисления, используя в 1000 раз меньше энергии, чем предел Ландауэра (0,0172 электронвольта).
• Он работает, синхронизируя операции с колебаниями температуры процессора.

Сегодня в цифровой электронике рассеяние энергии является одним из основных соображений при проектировании. Поскольку блоки обработки продолжают сокращаться, напряжение, необходимое для вычисления, уменьшается. Рано или поздно транзисторы достигнут теоретического предела минимального напряжения, необходимого для выполнения одной задачи.

Недавно профессор Ян Клаерс из Университета Твенте, Нидерланды, предложил «сжатые тепловые состояния», которые можно использовать для обхода этого теоретического предела. Эти состояния заставляют процессор эффективно работать при более низких температурах, потребляя меньше энергии.

Существующие компьютерные технологии могут использовать преимущества этих состояний, которые возникают естественным образом в тепловой среде процессора. А в будущем сжатые состояния можно будет использовать для разработки более энергоэффективных электронных устройств.

Количество энергии, необходимое для стирания бита

В 1961 году американский физик немецкого происхождения Рольф Ландауэр разработал цифровую битовую термодинамическую модель, работая в IBM. Согласно этой модели, любая логически необратимая операция, изменяющая данные, такая как сброс или стирание небольшого количества памяти, увеличивает энтропию, и соответствующее количество энергии рассеивается в виде тепла.

Он рассчитал минимально возможную энергию, которая потребуется для стирания или сброса бита (из состояния 1 в состояние 0), и оно оказалось 0,7 * k (B) * T . , где k (B) - постоянная Больцмана, а T - температура окружающей среды.

Этот принцип также актуален для квантовой информации, квантовых вычислений и обратимых вычислений. В 2012 году исследователи провели эксперименты, чтобы подтвердить этот принцип.

Однако принцип работает только в том случае, если система находится в тепловом равновесии. Ян Клаерс разработал новый подход, при котором долото остается в равновесии, а «тепловая ванна» (окружающая среда) выходит из равновесия за счет термического сжатия ванны.

Ссылка:Phys. Rev. Lett. | doi:10.1103 / PhysRevLett.122.040602 | APS Physics

Термин «сжатие» относится к колебаниям (связанным с шумом), которые неравномерно распределены по разным размерам системы. В фазе сжатия ванна колеблется между двумя температурами:одна ниже средней температуры, а другая - выше. Это означает, что в определенный момент ванна может быть либо холодной, либо горячей.

Сеть связанных битов в компьютерной цепи | Выполнение операций с этими битами требует энергии, которая в конечном итоге рассеивается в виде тепла (красный) | Предоставлено:Дж. Клаерс / Университет Твенте

Чтобы стереть / сбросить бит с минимально возможной энергией, необходимо выполнять операции, когда ванна находится в холодном состоянии. Таким образом, можно было синхронизировать операции с колебаниями температуры, чтобы снизить затраты энергии на сброс бита. Фактически, Klaers обнаружила, что не существует нижнего предела стоимости энергии:чем сильнее вы сжимаете ванну, тем ниже затраты энергии.

Можно ли применить эту технику на существующих компьютерах?

По словам исследователя, этот метод можно использовать для современных компьютерных битов, и он может обеспечить в 1000 раз большую экономию энергии, чем предел Ландауэра.

Использование этого метода в современных компьютерных технологиях дает большое преимущество:сжатое тепловое окружение предоставляется бесплатно. Современные процессоры выполняют вычисления, стирая или переключая миллионы битов, и каждая операция выделяет определенное количество тепла.

Поскольку тепловыделение происходит с частотой, определяемой тактовой частотой процессора, температура ванны колеблется. Хотя такие колебания имеют сложную структуру, поведение представляет собой форму сжатия.

Читать:Новый метод повышения производительности квантового компьютера

Инженеры могут настроить это сжатие таким образом, чтобы биты всегда обрабатывались, когда они находятся в холодном состоянии. Таким образом, вычисления, вызванные тепловыми колебаниями, потребляли бы меньше энергии, но еще предстоит выяснить, насколько меньше.