I sistemi informatici producono molto calore. I data center sono pieni di ventole di raffreddamento che ronzano, e anche gli smartphone possono surriscaldarsi con un uso elevato. La riduzione del consumo energetico è una delle principali sfide della tecnologia dell'informazione. Ma c'è una teoria limite inferiore al raffreddamento dipendente dalla temperatura, come affermato da Rolf Landauer negli anni '60. Jan Klaers di UT ora mostra che sincronizzando abilmente l'interazione tra calore e operazioni logiche, è possibile scendere anche al di sotto di questo limite. Questa nuova teoria, presentato in Lettere di revisione fisica , può portare a un'elettronica sempre più efficiente dal punto di vista energetico.

Molto prima dell'introduzione su larga scala dei sistemi informatici, nel 1961, Rolf Landauer (1927-1999) ha pubblicato il suo famoso articolo sulla quantità minima di energia necessaria per cancellare un bit di informazione, questo è, cambiandolo dallo stato "uno" allo stato "zero". Questo minimo, secondo il principio di cancellazione di Landauer, è dipendente dalla temperatura, e collega le leggi della termodinamica e della teoria dell'informazione.

Molti anni dopo, nel 2012, esperimenti pubblicati in Natura confermato il principio. Per l'attuale generazione di computer, questo limite inferiore non è stato ancora raggiunto; il consumo energetico tipico di un'operazione logica è ancora di circa 1, 000 volte superiore. Ma questo cambierà sicuramente nei prossimi decenni. L'informatica raggiungerà allora un limite fondamentale? Nel suo giornale, Jan Klaers propone un modo per ridurre i costi energetici sincronizzando le operazioni del computer e la temperatura in modo intelligente. Con questa tecnica, sarà possibile abbassare l'energia necessaria per la cancellazione al di sotto del limite di Landauer.

Funzionamento a freddo

Considerando le numerose operazioni logiche che avvengono in un computer, il profilo della temperatura è complesso. Se un bit cambia stato in una certa porta logica, la variazione di temperatura avverrà nei cancelli circostanti, anche. Sebbene complesso, temperatura e consumo energetico hanno lo stesso ritmo dell'orologio del microprocessore. Questi sono chiamati stati termici compressi, e possono essere osservati durante il funzionamento del computer. Ciò significa che in certi momenti, la temperatura ei costi energetici sono inferiori per le stesse operazioni. Sincronizzare le operazioni logiche con questi momenti in cui la temperatura è effettivamente più fredda porterà a consumi energetici inferiori al limite di Landauer.

Klaers ha analizzato un modello meccanico minimalista che rappresenta una memoria a un bit simile a quella utilizzata da Landauer per la sua teoria. Ulteriori ricerche dovranno mostrare quali risultati possono essere raggiunti nei sistemi informatici reali.

Il Dr. Jan Klaers è un ricercatore del gruppo Complex Photonic Systems, parte dell'Istituto MESA+ di UT. All'interno del gruppo, ha avviato una propria direzione di ricerca nel campo della termodinamica quantistica sperimentale.