Databehandling står over for en energiknas, medmindre der findes nye teknologier

Der er ingen tvivl om, at informationsteknologirevolutionen har forbedret vores liv. Men medmindre vi finder en ny form for elektronisk teknologi, der bruger mindre energi, computing vil blive begrænset af en "energiknas" inden for årtier.

Selv de mest almindelige begivenheder i vores daglige liv – at foretage et telefonopkald, sende en sms eller tjekke en e-mail – brug computerkraft. Nogle opgaver, såsom at se videoer, kræver meget forarbejdning, og bruger derfor meget energi.

På grund af den energi, der kræves for at drive den massive, fabriksstørrelse datacentre og netværk, der forbinder internettet, computing bruger allerede 5% af den globale elektricitet. Og den elbelastning fordobles hvert årti.

Heldigvis, der er nye områder inden for fysik, der giver løfte om massivt reduceret energiforbrug.

Slutningen af ​​Moores lov

Mennesker har et umætteligt behov for computerkraft.

Smartphones, for eksempel, er blevet en af ​​de vigtigste enheder i vores liv. Vi bruger dem til at få adgang til vejrudsigter, plotte den bedste rute gennem trafikken, og se den seneste sæson af vores yndlingsserie.

Og vi forventer, at vores smartphones bliver endnu mere kraftfulde i fremtiden. Vi vil have dem til at oversætte sprog i realtid, transportere os til nye steder via virtual reality, og forbind os til "tingenes internet".

Den computer, der kræves for at gøre disse funktioner til virkelighed, sker faktisk ikke i vores telefoner. Det er snarere aktiveret af et enormt netværk af mobiltelefontårne, Wi-Fi-netværk og massive, fabriksstore datacentre kendt som "serverfarme".

I de sidste fem årtier, vores stigende behov for computere blev stort set tilfredsstillet af trinvise forbedringer i konventionelle, siliciumbaseret computerteknologi:stadig mindre, stadig hurtigere, stadig mere effektive chips. Vi omtaler denne konstante krympning af siliciumkomponenter som "Moores lov".

Moores lov er opkaldt efter Intels medstifter Gordon Moore, der observerede, at:"Antallet af transistorer på en chip fordobles hvert år, mens omkostningerne halveres."

Men da vi rammer grænserne for grundlæggende fysik og økonomi, Moores lov er ved at afvikle. Vi kunne se enden på effektivitetsgevinster ved at bruge strøm, siliciumbaseret teknologi allerede i 2020.

Vores voksende efterspørgsel efter computerkapacitet skal imødekommes med gevinster i computereffektivitet, ellers vil informationsrevolutionen bremse af magthunger.

At opnå dette bæredygtigt betyder at finde en ny teknologi, der bruger mindre energi i beregningen. Dette omtales som en "beyond CMOS"-løsning, i, at det kræver et radikalt skift fra den silicium-baserede CMOS-teknologi (komplementær metal-oxid-halvleder), der har været rygraden i databehandling i de sidste fem årtier.

Hvorfor bruger computere overhovedet energi?

Bearbejdning af information kræver energi. Når du bruger en elektronisk enhed til at se tv, høre musik, modellere vejret eller enhver anden opgave, der kræver, at oplysninger behandles, der foregår millioner og atter millioner af binære beregninger i baggrunden. Der er nuller og etaller, der bliver vendt, tilføjet, ganget og divideret med utrolige hastigheder.

Det faktum, at en mikroprocessor kan udføre disse beregninger milliarder af gange i sekundet, er præcis grunden til, at computere har revolutioneret vores liv.

Men informationsbehandling er ikke gratis. Fysikken fortæller os, at hver gang vi udfører en operation – f.eks. lægge to tal sammen – vi skal betale en energiudgift.

Og omkostningerne ved at lave beregninger er ikke de eneste energiomkostninger ved at køre en computer. Faktisk, enhver, der nogensinde har brugt en bærbar computer, der er balanceret på benene, vil bevidne, at det meste af energien bliver omdannet til varme. Denne varme kommer fra den modstand, som elektricitet møder, når den strømmer gennem et materiale.

Det er denne spildte energi på grund af elektrisk modstand, som forskere håber at minimere.

De seneste fremskridt peger på løsninger

At køre en computer vil altid forbruge noget energi, men vi er langt (flere størrelsesordener) væk fra computere, der er så effektive, som fysikkens love tillader. Flere nyere fremskridt giver os håb om helt nye løsninger på dette problem via nye materialer og nye koncepter.

Meget tynde materialer

Et nyligt skridt fremad inden for fysik og materialevidenskab er at være i stand til at bygge og kontrollere materialer, der kun er et eller nogle få atomer tykke. Når et materiale danner et så tyndt lag, og elektronernes bevægelse er begrænset til dette ark, det er muligt for elektricitet at flyde uden modstand.

Der er en række forskellige materialer, der viser denne egenskab (eller måske viser den). Vores forskning på ARC Center for Future Low-Energy Electronics Technologies (FLEET) er fokuseret på at studere disse materialer.

Studiet af former

Der er også et spændende konceptuelt spring, der hjælper os med at forstå denne egenskab ved elektricitetsflow uden modstand.

Denne idé kommer fra en gren af ​​matematik kaldet "topologi". Topologi fortæller os, hvordan man sammenligner former:hvad gør dem ens, og hvad gør dem forskellige.

Billede en kaffekop lavet af blødt ler. Du kan langsomt klemme og klemme denne form, indtil den ligner en doughnut. Hullet i håndtaget på koppen bliver til hullet i donuten, og resten af ​​koppen bliver klemt sammen for at danne en del af doughnuten.

Topologi fortæller os, at donuts og kaffekopper er ækvivalente, fordi vi kan deformere den ene til den anden uden at skære den over, stikke huller i den, eller samle stykker sammen.

Det viser sig, at de mærkelige regler, der styrer, hvordan elektricitet flyder i tynde lag, kan forstås ud fra topologi. Denne indsigt var i fokus for 2016 Nobelprisen, og det driver en enorm mængde af aktuel forskning i fysik og teknik.

Vi ønsker at drage fordel af disse nye materialer og indsigt til at udvikle den næste generation af lavenergielektronikenheder, som vil være baseret på topologisk videnskab for at tillade elektricitet at flyde med minimal modstand.

Dette arbejde skaber mulighed for en bæredygtig fortsættelse af IT-revolutionen – uden de store energiomkostninger.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs den originale artikel.