В пространстве внутри компьютерного чипа, где электричество становится информацией, есть научная граница. Ту же самую границу можно найти внутри клетки, где информация вместо этого принимает форму химических концентраций. Недавние прорывы в области неравновесной статистической физики выявили обширные области исследований, скрытые в «термодинамике вычислений». Достижения в этой области, включающей элементы статистической физики, информатики, клеточной биологии и, возможно, даже нейробиологии, могут иметь далеко идущие последствия для того, как мы понимаем и проектируем наши компьютеры.
Чтобы дать толчок этому линейному исследованию, ученые Института Санта-Фе и их сотрудники запустили онлайн-вики для совместной работы. На этой неделе они также опубликовали статью, в которой аккуратно обобщаются последние достижения и открытые вопросы, относящиеся к термодинамике и вычислениям.
«Термодинамические ограничения на все системы, выполняющие вычисления, создают серьезные проблемы для современного дизайна компьютеров», - пишут исследователи в первом абзаце вики, предназначенной «служить центром и местом сбора для всех». кому интересно». Далее они обрисовывают в общих чертах величину энергии, потребляемой компьютерами, и инженерные проблемы, которые возникают, когда часть этой энергии теряется в виде отработанного тепла. Вики также сравнивает естественные вычисления, выполняемые клетками или человеческим мозгом, с искусственными вычислениями, которые заметно менее эффективны.
Исследование основывается на работе Рольфа Ландауэра, который в 1961 году постулировал, что для того, чтобы стереть один бит информации - 1 или 0 - определенное количество энергии должно быть потеряно в виде тепла. Проницательность Ландауэра хорошо известна ученым-компьютерщикам и привела к неофициальному принципу избегать стирания битов, когда это возможно.
Выходя за пределы затрат Ландауэра, новая статья пытается показать, что «термодинамические вычисления - это нечто большее, чем просто стирание битов», - говорит соавтор Джошуа Грохов из Колорадского университета в Боулдере. В статье, опубликованной в информационном бюллетене SIGACT News, представлены дополнительные факторы, которые могут повлиять на то, как энергия поступает в атомы и выходит из них во время вычислений.
Чтобы привлечь внимание других ученых, которые могут быть заинтересованы в термодинамике вычислений, Грохов и его соавтор Дэвид Вулперт из Института Санта-Фе составили каталог некоторых новых инструментов статистической физики, применимых к неравновесным системам, таким как компьютеры.
«Часть того, что мы пытаемся сделать в этой статье, - это обобщить уроки неравновесной статистической [физики] за последние 20 лет таким образом, чтобы прояснить, каковы новые вычислительные вопросы», - объясняет Грохов. Он надеется, что, представляя то, что сейчас известно о взаимосвязи между термодинамикой и микроскопическими процессами, происходящими во время вычислений, статья «побудит ученых-компьютерщиков работать над вопросами нового поколения».
Один из этих вопросов касается того, как термодинамически «настроить» компьютеры на входные данные, с которыми они, скорее всего, столкнутся. Грохов приводит пример калькулятора, термодинамически оптимизированного для ввода случайных 32-битных строк (эквивалентных десятичному значению из 10 цифр). Большинство пользователей-людей не вводят данные, для которых требуются старшие биты. Если бы калькулятор был переработан, чтобы «ожидать» менее 32 бит, стал бы он тратить меньше энергии в виде тепла?
Помимо точности вычислений, Грохов говорит, что объем памяти, необходимый для вычислений, и продолжительность вычислений являются другими аспектами, которые могут повлиять на его термодинамическую эффективность.
Вулперт надеется, что их исследования будут расширены за счет других недавних прорывов в статистической физике, таких как уравнение Ярзинского. Это уравнение обеспечивает вероятностный мост между миром макромасштаба, где энтропия может только увеличиваться, и миром микромасштаба, где этого не происходит. Некоторые компьютерные транзисторы достаточно малы, чтобы существовать между этими макро- и микромасштабами.
«Мы расширяем теорию информатики, которая изначально была основана на системах реального мира, на другие аспекты этих систем, о которых раньше даже не думали думать», - говорит Вулперт.
Теория может привести к инженерным достижениям, которые позволят создавать более крутые и мощные машины, такие как эксафлопсные компьютеры и даже крошечные роевые роботы. Это также может повлиять на устойчивость вычислительных технологий.
«Компьютеры сейчас потребляют нетривиальную долю энергии в странах первого мира», - говорит Грохов. «Учитывая, что вычислительная техника будет продолжать расти, сокращение потребляемой ими энергии чрезвычайно важно для сокращения нашего общего энергопотребления».