Smart timing får computere til at producere mindre varme - selv under Landauers grænse

Computersystemer producerer meget varme. Datacentre er fulde af summende køleventilatorer, og selv smartphones kan varme op ved høj brug. At reducere energiforbruget er en af ​​de største udfordringer inden for informationsteknologi. Men der er en teoretisk, temperaturafhængig nedre grænse for køling, som anført af Rolf Landauer i 1960'erne. Jan Klaers fra UT viser nu, at ved smart timing at interagere varme og logiske operationer, det er muligt at gå endnu lavere end denne grænse. Denne nye teori, præsenteret i Fysisk gennemgangsbreve , kan føre til stadig mere energieffektiv elektronik.

Længe før den store introduktion af edb-systemer, i 1961, Rolf Landauer (1927-1999) offentliggjorde sin berømte artikel om den mindste mængde energi, der er nødvendig for at slette en smule information, det er, ændrer den fra tilstanden "en" til "nul". Dette minimum, ifølge Landauers sletningsprincip, er temperaturafhængig, og forbinder lovene i termodynamik og informationsteori.

Mange år senere, i 2012, eksperimenter offentliggjort i Natur bekræftet princippet. For den nuværende generation af computere, denne nedre grænse er endnu ikke nået; typisk energiforbrug ved en logisk operation er stadig omkring 1, 000 gange højere. Men dette vil helt sikkert ændre sig i de kommende årtier. Vil computing så nå en grundlæggende grænse? I sit papir, Jan Klaers foreslår en måde at reducere energiomkostninger ved at synkronisere computerdrift og temperatur på en smart måde. Med denne teknik, det vil være muligt at sænke den energi, der er nødvendig til sletning, under Landauer -grænsen.

Kører når det er koldt

I betragtning af de mange logiske operationer, der finder sted i en computer, temperaturprofilen er kompleks. Hvis en bit ændrer tilstand ved en bestemt logisk gate, temperaturændringen vil forekomme i de omgivende porte, såvel. Selvom det er komplekst, temperatur og energiforbrug har samme rytme som mikroprocessorens ur. Disse kaldes pressede termiske tilstande, og de kan observeres under computerdrift. Det betyder, at på bestemte tidspunkter, temperaturen og energiomkostningerne er lavere for de samme operationer. Synkronisering af de logiske operationer med disse øjeblikke, hvor temperaturen faktisk er koldere, vil føre til lavere energiforbrug end Landauer -grænsen.

Klaers analyserede en minimalistisk mekanisk model, der repræsenterer en en-bit hukommelse, der lignede den, Landauer brugte til sin teori. Yderligere forskning skal vise, hvilke resultater der kan opnås i egentlige computersystemer.

Dr. Jan Klaers er forsker i gruppen Complex Photonic Systems, del af UT's MESA+ Institute. Inden for gruppen, han startede sin egen forskningsretning inden for eksperimentel kvantetermodynamik.