Termodynamik i computing

Informationsbehandling kræver meget energi. Energibesparende computersystemer kan gøre computing mere effektiv, men effektiviteten af ​​disse systemer kan ikke øges på ubestemt tid, som ETH -fysikere viser.

Da dampmaskiner blev mere og mere udbredt i det 19. århundrede, snart opstod spørgsmålet om, hvordan man optimerer dem. Termodynamik, den fysiske teori, der var resultatet af studiet af disse maskiner, viste sig at være en yderst frugtbar tilgang; det er stadig et centralt koncept i optimeringen af ​​energiforbruget i varmemotorer.

Varme er en kritisk faktor

Selv i dagens informationsalder, fysikere og ingeniører håber at gøre brug af denne teori; det bliver stadig tydeligere, at urfrekvensen eller antallet af chips, der bruges, ikke er de begrænsende faktorer for en computers ydelse, men snarere dens energiomsætning. "Ydelsen af ​​et computecenter afhænger primært af, hvor meget varme der kan spredes, "siger Renato Renner, Professor for teoretisk fysik og leder af forskningsgruppen for kvanteinformationsteori.

Reners udsagn kan illustreres af Bitcoin -boomet:det er ikke selve computerkapaciteten, men det ublu energiforbrug - som producerer en enorm mængde varme - og de tilhørende omkostninger, der er blevet de afgørende faktorer for kryptokurrencyens fremtid. Computers energiforbrug er også blevet en betydelig omkostningsdriver på andre områder.

Til databehandling, spørgsmålet om at færdiggøre computeroperationer så effektivt som muligt i termodynamiske termer bliver mere og mere presserende - eller sagt på en anden måde:Hvordan kan vi udføre det største antal computeroperationer med mindst mulig energi? Som med dampmaskiner, køleskabe og gasturbiner, et grundlæggende princip er i tvivl her:kan effektiviteten øges på ubestemt tid, eller er der en fysisk grænse, der grundlæggende ikke kan overskrides?

Kombination af to teorier

For ETH -professor Renner, svaret er klart:der er en sådan grænse. Sammen med sin ph.d. -studerende Philippe Faist, der nu er postdoc hos Caltech, han viste i en undersøgelse snart at dukke op i Fysisk gennemgang X at effektiviteten af ​​informationsbehandling ikke kan øges på ubestemt tid - og ikke kun i computercentre, der bruges til at beregne vejrudsigter eller behandle betalinger, men også inden for biologi, for eksempel ved konvertering af billeder i hjernen eller gengivelse af genetisk information i celler. De to fysikere identificerede også de afgørende faktorer, der bestemmer grænsen.

"Vores arbejde kombinerer to teorier om, at ved første øjekast, har intet at gøre med hinanden:termodynamik, som beskriver omdannelse af varme i mekaniske processer, og informationsteori, der vedrører principperne for informationsbehandling, "forklarer Renner.

Forbindelsen mellem de to teorier antydes af en formel nysgerrighed:informationsteori bruger et matematisk udtryk, der formelt ligner definitionen af ​​entropi i termodynamik. Det er derfor, udtrykket entropi også bruges i informationsteori. Renner og Faist har nu vist, at denne formelle lighed går dybere, end man ville antage ved første øjekast.

Ingen faste grænser

Især effektivitetsgrænsen for behandling af oplysninger ikke er fastsat men kan påvirkes:jo bedre du forstår et system, jo mere præcist du kan skræddersy softwaren til chipdesignet, og jo mere effektivt vil oplysningerne blive behandlet. Det er præcis, hvad der gøres i dag inden for højtydende computing. "I fremtiden, programmører skal også tage hensyn til computingens termodynamik, "siger Renner." Den afgørende faktor er ikke at minimere antallet af computeroperationer, men implementering af algoritmer, der bruger så lidt energi som muligt. "

Udviklere kan også bruge biologiske systemer som et benchmark her:"Forskellige undersøgelser har vist, at vores muskler fungerer meget effektivt termodynamisk, "forklarer Renner." Det ville nu være interessant at vide, hvor godt vores hjerne klarer sig ved behandling af signaler. "

Så tæt på det optimale som muligt

Som kvantefysiker, Renner fokus på dette spørgsmål er ikke tilfældigt:med kvantetermodynamik, et nyt forskningsfelt er dukket op i de senere år, der har særlig relevans for konstruktion af kvantecomputere. "Det vides, at qubits, som vil blive brugt af fremtidige kvantecomputere til at udføre beregninger, skal arbejde tæt på det termodynamiske optimale for at forsinke dekoherens, "siger Renner." Dette fænomen er et stort problem, når man bygger kvantecomputere, fordi det forhindrer kvantemekaniske superpositionstilstande i at blive vedligeholdt længe nok til at blive brugt til beregningsoperationer. "