La computadora del futuro podría reducir la producción de calor sincronizando la tarea con las oscilaciones de temperatura

• Un nuevo método podría permitir que las CPU modernas realicen cálculos usando 1,000 veces menos energía que el límite de Landauer (0.0172 electronvoltios).
• Funciona sincronizando las operaciones con las oscilaciones de temperatura del procesador.

En la electrónica digital, la disipación de energía es una de las principales consideraciones de diseño en la actualidad. A medida que las unidades de procesamiento continúan reduciéndose, el voltaje requerido por cálculo disminuye. Tarde o temprano, los transistores alcanzarán un límite teórico para el voltaje mínimo requerido para realizar una sola tarea.

Recientemente, un profesor, Jan Klaers, de la Universidad de Twente, Países Bajos, propuso "estados térmicos comprimidos" que se pueden utilizar para sortear este límite teórico. Estos estados obligan a la unidad de procesamiento a funcionar eficazmente a temperaturas más bajas mientras consume menos energía.

La tecnología informática existente puede aprovechar estos estados que ocurren naturalmente dentro del entorno térmico de un procesador. Y en el futuro, los estados comprimidos podrían explotarse para desarrollar dispositivos electrónicos más eficientes desde el punto de vista energético.

Cantidad de energía necesaria para borrar un poco

En 1961, un físico germano-estadounidense, Rolf Landauer desarrolló un modelo termodinámico digital de bits mientras trabajaba para IBM. Según este modelo, cualquier operación lógicamente irreversible que altere los datos, como restablecer o borrar un poco de memoria, aumenta la entropía y la cantidad correspondiente de energía se disipa en forma de calor.

Calculó la energía más baja posible que se necesitaría para borrar o restablecer un bit (del estado 1 al estado 0), y resultó ser 0.7 * k (B) * T , donde k (B) es la constante de Boltzmann y T es la temperatura ambiente.

Este principio también es relevante para la información cuántica, la computación cuántica y la computación reversible. En 2012, los investigadores realizaron experimentos para confirmar este principio.

Sin embargo, el principio funciona solo si el sistema está en equilibrio térmico. Jan Klaers ha creado un nuevo enfoque en el que la broca permanece en equilibrio y el "baño de calor" (entorno circundante) se desequilibra exprimiendo térmicamente el baño.

Referencia:Phys. Rev. Lett. | doi:10.1103 / PhysRevLett.122.040602 | Física APS

El término "exprimir" se refiere a las fluctuaciones (asociadas con el ruido) que se distribuyen de manera desigual en las diferentes dimensiones del sistema. El baño oscila entre 2 temperaturas en la fase de exprimido:una por debajo y otra por encima de la temperatura media. Esto significa que el baño puede ser frío o caliente en un momento determinado.

Una red de bits conectados en un circuito de computadora | Realizar operaciones en estos bits requiere energía que eventualmente se disipa en forma de calor (rojo) | Crédito:J. Klaers / Universidad de Twente

Para borrar / resetear el bit utilizando la mínima energía posible, es necesario realizar operaciones cuando el baño está en su estado frío. Por lo tanto, se podrían sincronizar las operaciones con oscilaciones de temperatura para reducir el costo de energía para restablecer el bit. De hecho, Klaers descubrió que no existe un límite inferior en el costo de la energía:cuanto más aprietas el baño, menor es el costo de la energía.

¿Podemos aplicar esta técnica en computadoras existentes?

Según el investigador, este método podría utilizarse para los bits de las computadoras actuales y tiene el potencial de proporcionar un ahorro de energía 1000 veces mayor que el límite de Landauer.

Hay una gran ventaja de utilizar esta técnica en la tecnología informática moderna:los alrededores térmicos comprimidos son gratuitos. Los procesadores modernos realizan cálculos borrando o cambiando millones de bits, y cada operación libera una cierta cantidad de calor.

Dado que la emisión de calor se produce a la frecuencia determinada por el reloj de la CPU, la temperatura del baño oscila. Aunque tales oscilaciones tienen patrones intrincados, el comportamiento es una forma de apretar.

Leer:Un nuevo método para impulsar el rendimiento de la computadora cuántica

Los ingenieros podrían configurar esta compresión de manera que los bits siempre se procesen cuando están en estado frío. De esta manera, los cálculos impulsados ​​por oscilaciones térmicas consumirían menos energía, pero exactamente cuánto menos aún necesita ser examinado.