Nello spazio all'interno di un chip di computer, dove l'elettricità diventa informazione, c'è una frontiera scientifica. La stessa frontiera si trova all'interno di una cella, dove l'informazione assume invece la forma di concentrazioni chimiche. Recenti scoperte nel campo della fisica statistica del non equilibrio hanno rivelato vaste aree di ricerca nascoste all'interno della "termodinamica del calcolo". I progressi in questo campo, che coinvolge elementi di fisica statistica, informatica, biologia cellulare, e forse anche neurobiologia, potrebbe avere conseguenze di vasta portata sul modo in cui comprendiamo, e ingegnere, i nostri computer. Per dare il via a questa ricerca di linea, Gli scienziati del Santa Fe Institute e i loro collaboratori hanno lanciato un wiki online per la collaborazione. Questa settimana hanno anche pubblicato un documento che riassume ordinatamente i recenti progressi e le domande aperte che riguardano la termodinamica e il calcolo.

"Le restrizioni termodinamiche su tutti i sistemi che eseguono calcoli rappresentano grandi sfide per la progettazione moderna dei computer, " scrivono i ricercatori nel paragrafo di apertura del wiki, progettato per "servire da hub e luogo di ritrovo per tutti coloro che sono interessati". Proseguono delineando l'entità dell'energia consumata dai computer e le sfide ingegneristiche che risultano quando una parte di tale energia viene persa come calore di scarto. Il wiki confronta anche calcoli naturali, eseguita da cellule o cervelli umani, a calcoli artificiali, che sono decisamente meno efficienti.

La ricerca riprende il lavoro di Rolf Landauer, che nel 1961 ipotizzò che per cancellare un singolo bit di informazione - un 1 o uno 0 - una certa quantità di energia dovesse essere dispersa sotto forma di calore. L'intuizione di Landauer è ben nota agli scienziati informatici e ha portato a una massima informale per evitare la cancellazione dei bit quando possibile.

Andando oltre il costo di Landauer, il nuovo articolo cerca di trasmettere che "c'è di più nella termodinamica del calcolo oltre alla semplice cancellazione di bit, ", afferma il coautore Joshua Grochow dell'Università del Colorado Boulder. Il documento, pubblicato nella newsletter di informatica SIGACT News, presenta ulteriori fattori che potrebbero influenzare il modo in cui l'energia fluisce dentro e fuori gli atomi durante un calcolo.

Per raggiungere altri scienziati che potrebbero essere interessati a perseguire una termodinamica del calcolo, Grochow e il coautore David Wolpert del Santa Fe Institute catalogano alcuni dei nuovi strumenti della fisica statistica che si applicano ai sistemi di non equilibrio, come i computer.

"Parte di ciò che stiamo cercando di fare con questo documento è impacchettare le lezioni dalla statistica del non equilibrio [fisica] negli ultimi 20 anni in un modo che chiarisca quali sono le nuove domande computazionali, "Spiega Grochow. Spera che presentando ciò che è ora noto sulla relazione tra la termodinamica e i processi microscopici che si verificano durante il calcolo, il documento "invoglierà gli informatici a lavorare su una nuova generazione di domande".

Una di queste domande riguarda come "sintonizzare" termodinamicamente i computer sugli input che è più probabile che incontrino. Grochow fornisce l'esempio di una calcolatrice termodinamicamente ottimizzata per input di stringhe casuali a 32 bit (equivalente a un valore decimale di 10 cifre). La maggior parte degli utenti umani non inserisce input che richiedono uno dei bit più alti. Se la calcolatrice fosse stata riprogettata per "aspettarsi" meno di 32 bit, sprecherebbe meno energia sotto forma di calore?

Al di là della precisione di un calcolo, Grochow afferma che la quantità di memoria richiesta da un calcolo e la durata del calcolo sono altri aspetti che potrebbero influire sulla sua efficienza termodinamica.

Wolpert spera che la loro ricerca si espanda per incorporare altre recenti scoperte della fisica statistica, come l'equazione di Jarzinski. Questa equazione fornisce un ponte probabilistico tra il mondo su macroscala, dove l'entropia può solo aumentare, e il mondo in microscala, dove non lo fa. Alcuni transistor per computer sono abbastanza piccoli da esistere tra queste macro e micro scale.

"Stiamo estendendo la teoria dell'informatica, che era originariamente motivato da sistemi del mondo reale, ad altri aspetti di quei sistemi a cui prima non sapeva nemmeno pensare, "dice Wolpert.

La teoria potrebbe portare a progressi ingegneristici che consentirebbero un raffreddamento, macchine più potenti, come computer exascale e persino piccoli robot sciami. Potrebbe anche avere un impatto sulla sostenibilità della tecnologia informatica.

"I computer ora usano una frazione non banale di energia nei paesi del primo mondo, " dice Grochow. "Dato che l'informatica continuerà a crescere, ridurre l'energia che consumano è estremamente importante per ridurre la nostra impronta energetica complessiva".