Revolutionaire CPU-techniek vermindert warmteproductie door taken te synchroniseren met temperatuurschommelingen

Een nieuwe methode zou moderne CPU's in staat kunnen stellen berekeningen uit te voeren met 1.000 keer minder energie dan de Landauer-limiet (0,0172 elektronenvolt). Deze doorbraak werkt door de operaties te synchroniseren met de natuurlijke temperatuurschommelingen van de processor.

Energieverlies in digitale elektronica

In digitale elektronica is energieverlies een van de belangrijkste ontwerpoverwegingen. Naarmate verwerkingsunits kleiner worden, daalt de benodigde spanning per berekening. Uiteindelijk zullen transistors een theoretische limiet bereiken voor de minimale spanning die nodig is om een enkele taak uit te voeren.

Onlangs stelde professor Jan Klaers van de Universiteit van Twente 'gesqueezde thermische toestanden' voor die deze theoretische limiet kunnen omzeilen. Deze toestanden dwingen de verwerkingseenheid effectief om te functioneren bij lagere temperaturen terwijl minder energie wordt verbruikt.

Bestaande computertechnologie kan profiteren van deze toestanden die van nature optreden in de thermische omgeving van een processor. In de toekomst zouden gesqueezde toestanden kunnen worden benut voor het ontwikkelen van energiezuinigere elektronische apparaten.

Energie vereist om een bit te wissen

In 1961 ontwikkelde de Duits-Amerikaanse natuurkundige Rolf Landauer, toenmalig werkzaam bij IBM, een thermodynamisch model voor digitale bits. Volgens dit model verhoogt elke logisch irreversibele operatie die data wijzigt — zoals het wissen of resetten van een geheugenbit — de entropie, waarbij een overeenkomstig hoeveelheid energie als warmte wordt gedissipeerd.

Hij berekende de laagst mogelijke energie die nodig is om een bit te wissen of resetten (van 1-naar 0-toestand), wat uitkwam op 0,7 × k_B × T, waarbij k_B de Boltzmann-constante is en T de omgevingstemperatuur.

Dit principe is ook relevant voor kwantuminformatie, kwantumcomputing en reversibele computing. In 2012 bevestigden experimenten dit principe.

Het principe geldt echter alleen als het systeem in thermisch evenwicht verkeert. Jan Klaers heeft nu een nieuwe benadering ontwikkeld waarbij het bit in evenwicht blijft, maar het 'warmtebad' (de omgeving) wordt uit evenwicht gebracht door het thermisch te 'squeezen'.

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

De term 'squeezing' verwijst naar fluctuaties (geassocieerd met ruis) die onevenwichtig verdeeld zijn over de verschillende dimensies van het systeem. Het bad oscilleert tussen twee temperaturen in de gesqueezde fase: één onder en één boven de gemiddelde temperatuur. Op een gegeven moment kan het bad dus koud of heet zijn.

Een netwerk van verbonden bits in een computercircuit | Operaties op deze bits kosten energie die uiteindelijk als warmte verdampt (rood) | Credit: J. Klaers/Universiteit Twente

Om een bit met minimaal energie te wissen/resetten, is het noodzakelijk operaties uit te voeren wanneer het bad in de koude toestand is. Door de operaties te synchroniseren met de temperatuurschommelingen kan de energiekost voor het resetten van het bit worden verminderd. Klaers ontdekte dat er geen ondergrens is voor de energiekost: hoe meer je het bad 'squeezed', des te lager de energiekost.

Is deze techniek toepasbaar in bestaande computers?

Volgens de onderzoeker kan deze methode worden gebruikt voor de huidige computerbits en heeft het de potentie om 1.000 keer meer energiebesparing te leveren dan de Landauer-limiet.

Een groot voordeel van deze techniek in moderne computertechnologie is dat de gesqueezde thermische omgeving 'gratis' komt. Moderne processors voeren berekeningen uit door miljoenen bits te wissen of te schakelen, waarbij elke operatie een bepaalde hoeveelheid warmte vrijgeeft.

Omdat de warmte-emissie plaatsvindt met de frequentie die wordt bepaald door de CPU-klok, oscilleert de temperatuur van het bad. Hoewel dergelijke oscillaties complexe patronen vertonen, is het gedrag een vorm van squeezing.

Ingenieurs zouden deze squeezing zo kunnen configureren dat bits altijd worden verwerkt wanneer ze in de koude toestand verkeren. Op die manier zouden berekeningen gedreven door thermische oscillaties minder stroom verbruiken, hoewel nog onderzocht moet worden hoeveel minder precies.