Ученые из Санта-Фе решат проблему энергонеэффективных компьютеров с помощью термодинамики

В мире огромное количество электроэнергии потребляют компьютеры. Только в США 5% от используемого электричества идет именно на нужды машин, утверждают ученые из института Санта-Фе. При этом не учитываются вторичные расходы: например, на охлаждение компьютеров.
Но сделать компьютеры более энергоэффективными можно: для этого команда ученых решила углубиться в термодинамику вычислений.
Энергопотребление на примере биологических систем
Проблема избыточного потребления энергии возникает не только у искусственных цифровых компьютеров. Существует множество естественных систем, сходных по этому параметру с машинами. Примером тому может служить мозг человека. Он использует 10-20% калорий, потребляемых человеком. Потребность в большем количестве пищи является платой за развитие абстрактного мышления.
Клеточные системы также можно рассматривать с точки зрения вычислительных технологий. Но их термодинамические затраты оказываются эффективнее, чем у самых современных компьютеров: энергетический бюджет расходуется при переводе РНК в последовательность белков. Процесс синтеза обеспечивает жизнедеятельность организма, а эффективность этих биологических вычислений оказывается на много порядков выше, чем у компьютеров.
Какие законы физики регулируют связь между точным вычислением системы и количеством энергии, в которой она нуждается? Можно ли сделать компьютеры более эффективными, по-новому взглянув на реализацию их алгоритмов?
Неравновесные термодинамические системы
На эти вопросы пытаются ответить ученые из исследовательского проекта по изучению термодинамики вычислений института Санта-Фе. Но они оказались не первыми, кого взволновала эта проблема. Полтора века исследователи из различных областей науки обращались к проблемам энергоэффективности вычислительных систем, используя лишь формальную логику и анализ «от противного», так как математика в то время не была достаточно зрелой. Это привело ко многим открытиям, в том числе работам Рольфа Ландауэра и Чарльза Беннета.
Однако они были ограничены тем, что пытались применить равновесную статистическую физику для анализа термодинамики компьютеров. Но компьютеры – неравновесные системы, то есть, их состояние никогда не остается неизменным.
За последние десятилетия произошли крупные прорывы в области неравновесной статистической физики, которые позволили анализировать процессы изменения тепла, энергии и информации в неравновесных системах.
Термодинамика вычислительных процессов
Научные открытия позволили вычислить отличную от нуля вероятность того, что определенная система нарушит второй закон термодинамики, уменьшив его энтропию за определенный промежуток времени.
Энтропия – мера необратимого рассеивания энергии, мера отклонения реального процесса от идеального.
Второй закон термодинамики гласит, что для вселенной в целом энтропия возрастает. Определение второго закона термодинамики опирается на первый закон термодинамики, утверждающий, что энергия убывает. Теперь у исследователей есть инструменты для работы, чтобы пересмотреть всю тему термодинамики вычислений. Это уже сделано для проблемы стирания битов информации, темы, которая так интересовала Ландауэра.
Принцип Ландауэра – предположение, что существует ограничение на минимальные энергетические затраты, необходимые для выполнения вычислений. Его высказал в 1961 году сотрудник IBM Рольф Ландауэр.
Однако компьютерная наука простирается далеко за пределы проблемы бит-стираний в этом вычислении. Благодаря прорывам неравновесной статистической физики ученые могут исследовать вычислительные системы с термодинамической точки зрения. Переходя от отдельных бит к более сложным схемам, исследователи проанализировали термодинамические затраты «линейных электрических цепей». Этот анализ привел к новым решениям в теории информации.
Информатику можно определить как науку о компромиссах между ресурсами памяти и количеством времени для выполнения вычисления. В свете вышесказанного кажется, что при проведении вычислений может быть гораздо больше термодинамических компромиссов. Такие компромиссы будут применяться как на искусственных, так и на биологических компьютерах.
Но для развития этой «термодинамики вычислений» как науки придется проделать еще огромное количество работы.
См. также
Энтузиасты создали для популярного эмулятора патч с поддержкой процессоров «Эльбрус»
01.03.2021 1709 VKuser24342747 0
Российский разработчик создал неофициальную версию Clubhouse для Android
26.02.2021 2011 VKuser24342747 0
Масштабное обновление Trello: пять новых видов досок и интеграция с Google Docs
25.02.2021 3511 user1015646 0
Видеоигра на базе нейросетевого генератора текстов стала бизнес-консультантом
25.02.2021 2067 VKuser24342747 1
В ближайшие годы возрастет потребность в персонале центров обработки данных
24.02.2021 2089 SKravchenko 0
Rustоманы из Долины: Google, Microsoft, Huawei, Mozilla и AWS основали фонд поддержки языка программирования
16.02.2021 1611 user1015646 0
Украинская команда FireWay одержала победу в хакатоне NASA Space Apps Challenge 2020
05.02.2021 1981 SKravchenko 2
Microsoft участвует в разработке цифрового паспорта вакцинации от Covid-19
02.02.2021 1775 capitan 3
Что нового в Chrome 88: проверка надежности паролей и поддержка профилей
01.02.2021 2239 user1015646 0
280 символов для науки: Twitter откроет доступ ученым к архиву твитов
29.01.2021 1494 VKuser24342747 1