Omkostningerne ved beregning

I årtier, fysikere har kæmpet med at forstå de termodynamiske omkostninger ved at manipulere oplysninger, hvad vi nu vil kalde computing. Hvor meget energi tager det, for eksempel, at slette en enkelt bit fra en computer? Hvad med mere komplicerede operationer? Disse presser, praktiske spørgsmål, da kunstige computere er energisvin, hævder anslået fire procent af det samlede energiforbrug i USA.

Disse spørgsmål er ikke begrænset til de digitale maskiner, vi har konstrueret. Den menneskelige hjerne kan ses som en computer - en, der spilder anslået 10 til 20 procent af alle de kalorier, en person indtager. Levende celler, også, kan ses som computere, men computere, der "er mange størrelsesordener mere effektive" end nogen bærbar eller smartphone mennesker har konstrueret, siger David Wolpert fra Santa Fe Institute.

Wolpert, en matematiker, fysiker, og datamatiker, har været på forkant med en hurtig genopblussen af ​​interesse for en dyb forståelse af energiomkostningerne ved computing. Den forskning rammer nu sit skridt, takket være fremskridt med at bruge nogle revolutionerende værktøjer, der for nylig er udviklet inden for statistisk fysik, for at forstå den termodynamiske opførsel af ikke-ligevægtssystemer. Grunden til, at disse værktøjer er så vigtige, er, at computere decideret ikke er i balance. (Tag stikket ud af din bærbare computer, og vent på, at den når ligevægt, og se derefter om det stadig virker.) Selvom Wolpert primært nærmer sig disse spørgsmål ved hjælp af værktøjer fra datalogi og fysik, der er også stor interesse fra forskere på andre områder, inklusive dem, der studerer kemiske reaktioner, cellulær biologi, og neurobiologi.

Imidlertid, forskning i ikke-ligevægtsstatistisk fysik foregår i vid udstrækning i siloer, siger Wolpert. I en anmeldelse offentliggjort i dag i Journal of Physics A , Wolpert indsamler de seneste fremskridt inden for forståelse af beregningens termodynamik, der er baseret på datalogi og fysik. Anmeldelsen fungerer som en slags state-of-the-science rapport for en spirende tværfaglig undersøgelse.

"Det er dybest set et øjebliksbillede af felternes aktuelle tilstand, hvor disse ideer begynder at eksplodere, i alle retninger, "siger Wolpert.

I avisen, Wolpert opsummerer først de relevante teoretiske ideer fra fysik og datalogi. Han diskuterer derefter, hvad man ved om de entropiske omkostninger ved en række beregninger, fra at slette en enkelt bit til at køre en Turing -maskine. Han viser videre, hvordan gennembrud inden for statistisk fysik i ubalance har gjort det muligt for forskere mere formelt at undersøge disse sager - gå langt ud over simpel bit -sletning.

Wolpert berører også de spørgsmål, der er rejst i denne nylige forskning, som antyder udfordringer i den virkelige verden, gerne hvordan man designer algoritmer med energibesparelse i tankerne. Kan biologiske systemer, for eksempel, tjene som inspiration til at designe computere med minimale termodynamiske omkostninger?

"Vi bliver overrasket og forbløffet på mange måder, "Siger Wolpert. Ved sammensætningen af ​​anmeldelsen, og coediting en bog om emnet, der udkommer senere på året, "vi har afdækket fænomener, som ingen før har analyseret, og som var meget naturlige for os, mens vi forfølger denne moderne version af beregningens termodynamik. "