Una técnica revolucionaria de CPU reduce la producción de calor sincronizando tareas con oscilaciones de temperatura

Un nuevo método podría permitir que las CPUs modernas realicen cálculos utilizando 1.000 veces menos energía que el límite de Landauer (0,0172 electronvoltios).

Funciona sincronizando las operaciones con las oscilaciones de temperatura del procesador.

El desafío de la disipación energética en la electrónica digital

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

Recientemente, el profesor Jan Klaers de la Universidad de Twente (Países Bajos) propuso los "estados térmicos comprimidos" que pueden utilizarse para sortear este límite teórico. Estos estados obligan a la unidad de procesamiento a funcionar efectivamente a temperaturas más bajas consumiendo menos energía.

La tecnología informática existente puede aprovechar estos estados que ocurren naturalmente en el entorno térmico de un procesador. En el futuro, los estados comprimidos podrían explotarse para desarrollar dispositivos electrónicos más eficientes energéticamente.

Energía requerida para borrar un bit

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

Calculó la energía mínima necesaria para borrar o restablecer un bit (del estado 1 al estado 0), que 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, investigadores realizaron experimentos para confirmar este principio.

Sin embargo, el principio solo funciona si el sistema está en equilibrio térmico. Jan Klaers ha desarrollado ahora un nuevo enfoque en el que el bit permanece en equilibrio y el "baño térmico" (entorno circundante) es sacado del equilibrio mediante la compresión térmica del baño.

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

El término "compresión" se refiere a fluctuaciones (asociadas al ruido) que se distribuyen de manera desigual en las diferentes dimensiones del sistema. El baño oscila entre dos temperaturas en la fase comprimida: una por debajo y otra por encima de la temperatura media. Esto significa que el baño puede estar frío o caliente en un momento dado.

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

Para borrar/restablecer el bit usando la energía mínima posible, es necesario realizar las operaciones cuando el baño está en su estado frío. Así, se podrían sincronizar las operaciones con las oscilaciones de temperatura para reducir el coste energético de restablecer el bit. De hecho, Klaers descubrió que no hay límite inferior en el coste energético: cuanto más se comprime el baño, menor es el coste energético.

¿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 energético 1.000 veces superior al límite de Landauer.

Una gran ventaja de usar esta técnica en la tecnología informática moderna: los alrededores térmicos comprimidos vienen "gratis". Los procesadores modernos realizan cálculos borrando o conmutando millones de bits, y cada operación libera una cierta cantidad de calor.

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

Los ingenieros podrían configurar esta compresión de manera que los bits siempre se procesen cuando están en estado frío. De este modo, los cálculos impulsados por oscilaciones térmicas consumirían menos energía, aunque aún queda por examinar exactamente cuánta menos.

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