Toekomstige computer kan warmteproductie verminderen door taak te synchroniseren met temperatuurschommelingen

• Met een nieuwe methode kunnen moderne CPU's berekeningen uitvoeren met 1000 keer minder energie dan de Landauer-limiet (0,0172 elektronvolt).
• Het werkt door de bewerkingen te synchroniseren met de temperatuurschommelingen van de processor.

In digitale elektronica is energiedissipatie tegenwoordig een van de belangrijkste ontwerpoverwegingen. Naarmate verwerkingseenheden blijven krimpen, neemt de benodigde spanning per berekening af. Vroeg of laat zullen transistors een theoretische limiet bereiken voor de minimale spanning die nodig is om een ​​enkele taak uit te voeren.

Onlangs stelde een professor, Jan Klaers, aan de Universiteit Twente, 'squeezed thermal states' voor die kunnen worden gebruikt om deze theoretische limiet te omzeilen. Deze toestanden dwingen de verwerkingseenheid om effectief te presteren bij lagere temperaturen en minder energie te verbruiken.

Bestaande computertechnologie kan profiteren van deze toestanden die van nature voorkomen in de thermische omgeving van een processor. En in de toekomst zouden onder druk staande staten kunnen worden misbruikt om energiezuinigere elektronische apparaten te ontwikkelen.

Hoeveelheid energie die nodig is om een ​​bit te wissen

In 1961 ontwikkelde Rolf Landauer, een Duits-Amerikaanse natuurkundige, een digitaal bit-thermodynamisch model terwijl hij voor IBM werkte. Volgens dit model verhoogt elke logisch onomkeerbare bewerking die gegevens verandert, zoals het resetten of wissen van een beetje geheugen, de entropie en wordt een overeenkomstige hoeveelheid energie als warmte afgevoerd.

Hij berekende de laagst mogelijke energie die nodig zou zijn om een ​​bit te wissen of te resetten (van 1-staat naar 0-staat), en het bleek  0,7*k(B)*T te zijn. , waarbij k(B) de Boltzmann-constante is en T de omgevingstemperatuur.

Dit principe is ook relevant voor kwantuminformatie, kwantumcomputing en reversible computing. In 2012 voerden onderzoekers experimenten uit om dit principe te bevestigen.

Het principe werkt echter alleen als het systeem in thermisch evenwicht is. Jan Klaers heeft nu een nieuwe aanpak gebouwd waarbij het bit in evenwicht blijft en het ‘warmtebad’ (omgeving) uit evenwicht wordt geschopt door thermisch in het bad te knijpen.

Referentie:Phys. ds. Lett. | doi:10.1103/PhysRevLett.122.040602 | APS Natuurkunde

De term ‘knijpen’ verwijst naar fluctuaties (geassocieerd met ruis) die ongelijk verdeeld zijn over de verschillende dimensies van het systeem. Het bad schommelt tussen 2 temperaturen in de geperste fase:één onder en één boven de gemiddelde temperatuur. Dit betekent dat het bad op een bepaald moment koud of warm kan zijn.

Een netwerk van verbonden bits in een computercircuit | Het uitvoeren van bewerkingen op deze bits vereist energie die uiteindelijk als warmte verdwijnt (rood) | Credit: J. Klaers/Universiteit Twente

Om de bit te wissen/resetten met minimaal mogelijke energie, is het noodzakelijk om handelingen uit te voeren wanneer het bad in koude toestand is. Zo zou men de bewerkingen kunnen synchroniseren met temperatuurschommelingen om de energiekosten voor het resetten van de bit te verminderen. Klaers ontdekte zelfs dat er geen ondergrens is aan de energiekosten:hoe meer je in het bad knijpt, hoe lager de energiekosten.

Kunnen we deze techniek toepassen op bestaande computers?

Volgens de onderzoeker zou deze methode kunnen worden gebruikt voor de computerbits van vandaag en heeft het de potentie om 1000 keer meer energiebesparingen te bieden dan de Landauer-limiet.

Het gebruik van deze techniek in moderne computertechnologie heeft een groot voordeel:de uitgeknepen thermische omgeving is gratis. Moderne processors voeren berekeningen uit door miljoenen bits te wissen of te verwisselen, en bij elke bewerking komt een bepaalde hoeveelheid warmte vrij.

Omdat de warmteafgifte plaatsvindt met de frequentie die wordt bepaald door de CPU-klok, oscilleert de temperatuur van het bad. Hoewel dergelijke trillingen ingewikkelde patronen hebben, is het gedrag een vorm van knijpen.

Lezen:een nieuwe methode om de prestaties van quantumcomputers te verbeteren

Ingenieurs zouden dit knijpen zo kunnen configureren dat bits altijd worden verwerkt als ze in koude toestand zijn. Op deze manier zouden berekeningen die worden aangedreven door thermische trillingen minder stroom verbruiken, maar hoeveel minder moet er precies worden onderzocht.