Sejere databehandling gennem statistisk fysik?

I rummet inde i en computerchip, hvor elektricitet bliver til information, der er en videnskabelig grænse. Den samme grænse kan findes inde i en celle, hvor information i stedet tager form af kemiske koncentrationer. Nylige gennembrud inden for statistisk fysik uden ligevægt har afsløret store forskningsområder, der ligger skjult i "beregningens termodynamik." Fremskridt på dette område, som involverer elementer af statistisk fysik, computer videnskab, cellulær biologi, og muligvis endda neurobiologi, kan have vidtrækkende konsekvenser for, hvordan vi forstår, og ingeniør, vores computere. For at sætte gang i denne linjeforskning, Santa Fe Institute videnskabsmænd og deres samarbejdspartnere har lanceret en online wiki for samarbejde. I denne uge udgav de også et papir, der pænt opsummerer de seneste fremskridt og åbne spørgsmål, der vedrører termodynamik og beregning.

"De termodynamiske restriktioner på alle systemer, der udfører beregninger, giver store udfordringer til det moderne design af computere, " skriver forskerne i wikiens indledende afsnit, designet til at "tjene som et knudepunkt og et samlingssted for alle interesserede." De fortsætter med at skitsere størrelsen af ​​den energi, der forbruges af computere, og de tekniske udfordringer, der opstår, når en del af denne energi går tabt som spildvarme. Wikien sammenligner også naturlige beregninger, udført af celler eller menneskelige hjerner, til kunstige beregninger, som er markant mindre effektive.

Forskningen samler op på arbejde af Rolf Landauer, som i 1961 postulerede, at for at slette en enkelt bit information - et 1 eller 0 - skal en vis mængde energi gå tabt som varme. Landauers indsigt er velkendt af dataloger og har ført til en uformel maksime om at undgå bitsletning, når det er muligt.

Går ud over Landauers omkostninger, det nye papir forsøger at formidle, at "der er mere ved beregningens termodynamik end blot bitsletning, " siger medforfatter Joshua Grochow fra University of Colorado Boulder. Avisen, offentliggjort i datalogi nyhedsbrevet SIGACT News, præsenterer yderligere faktorer, der kan påvirke, hvordan energi strømmer ind og ud af atomer under en beregning.

For at nå andre videnskabsmænd, der kunne være interesserede i at forfølge en termodynamik af beregninger, Grochow og medforfatter David Wolpert fra Santa Fe Institute katalogiserer nogle af de nye værktøjer fra statistisk fysik, der gælder for ikke-ligevægtssystemer - som computere.

"En del af det, vi forsøger at gøre med dette papir, er at samle lektionerne fra statistisk [fysik] uden ligevægt i de sidste 20 år på en måde, der gør det klart, hvad de nye beregningsmæssige spørgsmål er, Grochow forklarer. Han håber, at ved at præsentere, hvad man nu ved om forholdet mellem termodynamik og de mikroskopiske processer, der opstår under beregning, papiret vil "lokke dataloger til at arbejde med en ny generation af spørgsmål."

Et af disse spørgsmål involverer, hvordan man termodynamisk "tuner" computere til de input, de med størst sandsynlighed vil støde på. Grochow giver eksemplet med en lommeregner, der er termodynamisk optimeret til tilfældige 32-bit strenginput (svarende til en decimalværdi på 10 cifre). Størstedelen af ​​menneskelige brugere indtaster ikke input, der kræver nogen af ​​de højere bits. Hvis lommeregneren blev ombygget til at "forvente" færre end 32 bit, ville det spilde mindre energi i form af varme?

Ud over nøjagtigheden af ​​en beregning, Grochow siger, at mængden af ​​hukommelse en beregning kræver, og hvor lang tid beregningen tager, er andre aspekter, der kan påvirke dens termodynamiske effektivitet.

Wolpert håber, at deres forskning vil udvides til at inkorporere andre nylige gennembrud fra statistisk fysik, ligesom Jarzinski-ligningen. Denne ligning giver en probabilistisk bro mellem den makro-skala verden, hvor entropien kun kan stige, og verden i mikroskala, hvor det ikke gør. Nogle computertransistorer er små nok til at eksistere mellem disse makro- og mikroskalaer.

"Vi udvider datalogi teori, som oprindeligt var motiveret af systemer i den virkelige verden, til andre aspekter af disse systemer, som den aldrig vidste at tænke på før, siger Wolpert.

Teorien kunne føre til tekniske fremskridt, der ville muliggøre køligere, mere kraftfulde maskiner, som exascale computere og endda bittesmå sværmrobotter. Det kan også påvirke bæredygtigheden af ​​computerteknologi.

"Computere bruger nu en ikke-triviel del af energien i førsteverdenslande, " siger Grochow. "I betragtning af at computing vil fortsætte med at vokse, at reducere den energi, de forbruger, er enormt vigtigt for at reducere vores samlede energifodaftryk."