Non c'è dubbio che la rivoluzione della tecnologia dell'informazione abbia migliorato le nostre vite. Ma a meno che non troviamo una nuova forma di tecnologia elettronica che usi meno energia, l'informatica sarà limitata da una "crisi energetica" entro decenni.

Anche gli eventi più comuni della nostra vita quotidiana:fare una telefonata, inviare un messaggio di testo o controllare un'e-mail:usa la potenza di calcolo. Alcuni compiti, come guardare video, richiedono molta elaborazione, e quindi consuma molta energia.

A causa dell'energia necessaria per alimentare il massiccio, data center e reti di dimensioni di fabbrica che si connettono a Internet, l'informatica consuma già il 5% dell'elettricità globale. E quel carico di elettricità raddoppia ogni decennio.

Fortunatamente, ci sono nuove aree della fisica che offrono la promessa di un consumo energetico enormemente ridotto.

La fine della legge di Moore

Gli esseri umani hanno un'insaziabile richiesta di potenza di calcolo.

Smartphone, Per esempio, sono diventati uno dei dispositivi più importanti della nostra vita. Li usiamo per accedere alle previsioni del tempo, tracciare il percorso migliore attraverso il traffico, e guarda l'ultima stagione della nostra serie preferita.

E ci aspettiamo che i nostri smartphone diventino ancora più potenti in futuro. Vogliamo che traducano la lingua in tempo reale, trasportaci in nuove location tramite la realtà virtuale, e collegaci all'"Internet delle cose".

L'elaborazione necessaria per rendere queste funzionalità una realtà non si verifica effettivamente nei nostri telefoni. Piuttosto è abilitato da un'enorme rete di ripetitori per telefoni cellulari, Reti Wi-Fi e massicce, data center di dimensioni industriali noti come "server farm".

Negli ultimi cinque decenni, il nostro crescente bisogno di informatica è stato ampiamente soddisfatto da miglioramenti incrementali nei sistemi convenzionali, tecnologia di calcolo basata sul silicio:sempre più piccola, sempre più veloce, chip sempre più efficienti. Ci riferiamo a questo costante restringimento dei componenti in silicio come "Legge di Moore".

La legge di Moore prende il nome dal co-fondatore di Intel Gordon Moore, che ha osservato che:"il numero di transistor su un chip raddoppia ogni anno mentre i costi si dimezzano".

Ma quando raggiungiamo i limiti della fisica e dell'economia di base, La legge di Moore è agli sgoccioli. Potremmo vedere la fine dei guadagni di efficienza usando la corrente, tecnologia a base di silicio non appena 2020.

La nostra crescente domanda di capacità di calcolo deve essere soddisfatta con guadagni in termini di efficienza informatica, altrimenti la rivoluzione dell'informazione rallenterà per fame di potere.

Raggiungere questo obiettivo in modo sostenibile significa trovare una nuova tecnologia che utilizzi meno energia nel calcolo. Questa è indicata come una soluzione "oltre CMOS", in quanto richiede un cambiamento radicale dalla tecnologia CMOS (complementare metallo-ossido-semiconduttore) basata sul silicio che è stata la spina dorsale dell'informatica negli ultimi cinque decenni.

Perché l'informatica consuma energia?

L'elaborazione delle informazioni richiede energia. Quando si utilizza un dispositivo elettronico per guardare la TV, ascoltare la musica, modellare il tempo o qualsiasi altra attività che richiede l'elaborazione di informazioni, ci sono milioni e milioni di calcoli binari in corso in background. Ci sono zeri e uno che vengono capovolti, aggiunto, moltiplicato e diviso a velocità incredibili.

Il fatto che un microprocessore possa eseguire questi calcoli miliardi di volte al secondo è esattamente il motivo per cui i computer hanno rivoluzionato le nostre vite.

Ma l'elaborazione delle informazioni non è gratuita. La fisica ci dice che ogni volta che eseguiamo un'operazione, ad esempio, sommando due numeri, dobbiamo pagare un costo energetico.

E il costo dell'esecuzione dei calcoli non è l'unico costo energetico per l'esecuzione di un computer. Infatti, chiunque abbia mai usato un laptop in equilibrio sulle gambe attesterà che la maggior parte dell'energia viene convertita in calore. Questo calore deriva dalla resistenza che l'elettricità incontra quando attraversa un materiale.

È questa energia sprecata a causa della resistenza elettrica che i ricercatori sperano di ridurre al minimo.

I recenti progressi indicano soluzioni

L'esecuzione di un computer consumerà sempre un po' di energia, ma siamo molto lontani (diversi ordini di grandezza) da computer che sono efficienti quanto lo consentono le leggi della fisica. Diversi recenti progressi ci danno speranza per soluzioni completamente nuove a questo problema attraverso nuovi materiali e nuovi concetti.

Materiali molto sottili

Un recente passo avanti nella fisica e nella scienza dei materiali è la capacità di costruire e controllare materiali con uno spessore di solo uno o pochi atomi. Quando un materiale forma uno strato così sottile, e il movimento degli elettroni è limitato a questo foglio, è possibile che l'elettricità fluisca senza resistenza.

Esistono diversi materiali che mostrano questa proprietà (o potrebbero mostrarla). La nostra ricerca presso l'ARC Center for Future Low-Energy Electronics Technologies (FLEET) è focalizzata sullo studio di questi materiali.

Lo studio delle forme

C'è anche un emozionante salto concettuale che ci aiuta a capire questa proprietà del flusso di elettricità senza resistenza.

Questa idea deriva da una branca della matematica chiamata "topologia". La topologia ci dice come confrontare le forme:cosa le rende uguali e cosa le rende diverse.

Immagina una tazza di caffè fatta di argilla morbida. Puoi schiacciare e spremere lentamente questa forma fino a farla sembrare una ciambella. Il buco nel manico della tazza diventa il buco nella ciambella, e il resto della tazza viene schiacciato per formare parte della ciambella.

La topologia ci dice che ciambelle e tazzine da caffè sono equivalenti perché possiamo deformarle l'una nell'altra senza tagliarla, facendoci dei buchi, o unendo i pezzi.

Si scopre che le strane regole che governano il modo in cui l'elettricità scorre in strati sottili possono essere comprese in termini di topologia. Questa intuizione è stata al centro del Premio Nobel 2016, e sta guidando un'enorme quantità di ricerca attuale in fisica e ingegneria.

Vogliamo sfruttare questi nuovi materiali e intuizioni per sviluppare la prossima generazione di dispositivi elettronici a basso consumo energetico, che si baserà sulla scienza topologica per consentire all'elettricità di fluire con una resistenza minima.

Questo lavoro crea la possibilità di una continuazione sostenibile della rivoluzione IT, senza l'enorme costo energetico.

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale.