O computador do futuro pode reduzir a produção de calor ao sincronizar a tarefa com as oscilações de temperatura

• Um novo método poderia permitir que CPUs modernas executassem cálculos usando 1.000 vezes menos energia do que o limite de Landauer (0,0172 eletronvolts).
• Funciona sincronizando as operações com as oscilações de temperatura do processador.

Na eletrônica digital, a dissipação de energia é uma das principais considerações de design hoje. À medida que as unidades de processamento continuam a encolher, a voltagem necessária por cálculo diminui. Mais cedo ou mais tarde, os transistores atingirão um limite teórico para a tensão mínima necessária para realizar uma única tarefa.

Recentemente, um professor, Jan Klaers, da Universidade de Twente, Holanda, propôs ‘estados térmicos espremidos’ que podem ser usados ​​para contornar este limite teórico. Esses estados forçam a unidade de processamento a funcionar com eficiência em temperaturas mais baixas, consumindo menos energia.

A tecnologia de computador existente pode tirar proveito desses estados que ocorrem naturalmente no ambiente térmico de um processador. E, no futuro, os estados comprimidos poderiam ser explorados para desenvolver dispositivos eletrônicos mais eficientes em termos de energia.

Quantidade de energia necessária para apagar um bit

Em 1961, um físico germano-americano, Rolf Landauer, desenvolveu um modelo digital termodinâmico de bits enquanto trabalhava para a IBM. De acordo com esse modelo, qualquer operação logicamente irreversível que altere os dados, como redefinir ou apagar um pouco da memória, aumenta a entropia e uma quantidade correspondente de energia é dissipada como calor.

Ele calculou a energia mais baixa possível que seria necessária para apagar ou redefinir um bit (de 1-estado para 0-estado), e acabou sendo 0,7 * k (B) * T , onde k (B) é a constante de Boltzmann e T é a temperatura ambiente.

Este princípio também é relevante para informação quântica, computação quântica e computação reversível. Em 2012, pesquisadores realizaram experimentos para confirmar esse princípio.

No entanto, o princípio funciona apenas se o sistema estiver em equilíbrio térmico. Jan Klaers agora construiu uma nova abordagem em que a broca permanece em equilíbrio e o "banho de calor" (ambiente circundante) é expulso do equilíbrio ao espremer termicamente o banho.

Referência:Phys. Rev. Lett. | doi:10.1103 / PhysRevLett.122.040602 | Física APS

O termo 'compressão' refere-se a flutuações (associadas ao ruído) que estão distribuídas de forma desigual pelas diferentes dimensões do sistema. O banho oscila entre 2 temperaturas na fase espremida:uma abaixo e outra acima da temperatura média. Isso significa que o banho pode ser frio ou quente em um determinado momento.

Uma rede de bits conectados em um circuito de computador | A execução de operações nesses bits requer energia que eventualmente se dissipa como calor (vermelho) | Crédito:J. Klaers / University of Twente

Para apagar / redefinir o bit usando o mínimo de energia possível, é necessário realizar operações quando o banho está em seu estado frio. Assim, pode-se sincronizar as operações com oscilações de temperatura para reduzir o custo de energia para resetar o bit. Na verdade, Klaers descobriu que não há limite inferior para o custo da energia:quanto mais você espreme a banheira, menor é o custo da energia.

Podemos aplicar essa técnica em computadores existentes?

De acordo com o pesquisador, esse método poderia ser usado para bits de computador de hoje e tem o potencial de fornecer 1.000 vezes mais economia de energia do que o limite de Landauer.

Há uma grande vantagem em usar essa técnica na tecnologia de computação moderna:o ambiente térmico comprimido é gratuito. Os processadores modernos executam cálculos apagando ou trocando milhões de bits, e cada operação libera uma certa quantidade de calor.

Como a emissão de calor ocorre na frequência determinada pelo relógio da CPU, a temperatura do banho oscila. Embora essas oscilações tenham padrões intrincados, o comportamento é uma forma de compressão.

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Os engenheiros podem configurar essa compressão de forma que os bits sejam sempre processados ​​quando estiverem em estado frio. Desta forma, os cálculos impulsionados por oscilações térmicas consumiriam menos energia, mas exatamente quanto menos ainda precisa ser examinado.