Het lijdt weinig twijfel dat de informatietechnologierevolutie ons leven heeft verbeterd. Maar tenzij we een nieuwe vorm van elektronische technologie vinden die minder energie verbruikt, computergebruik zal binnen tientallen jaren worden beperkt door een "energiecrisis".

Zelfs de meest voorkomende gebeurtenissen in ons dagelijks leven – telefoneren, een sms sturen of een e-mail checken – rekenkracht gebruiken. Sommige taken, zoals het bekijken van video's, veel verwerking nodig, en dus veel energie verbruiken.

Vanwege de energie die nodig is om de massale, fabrieksgrote datacenters en netwerken die het internet verbinden, computergebruik verbruikt al 5% van de wereldwijde elektriciteit. En die elektriciteitsbelasting verdubbelt elk decennium.

Gelukkig, er zijn nieuwe natuurkundige gebieden die veelbelovend zijn voor een enorm verminderd energieverbruik.

Het einde van de wet van Moore

De mens heeft een onverzadigbare vraag naar rekenkracht.

Smartphones, bijvoorbeeld, zijn een van de belangrijkste apparaten van ons leven geworden. We gebruiken ze om toegang te krijgen tot weersvoorspellingen, de beste route door het verkeer uitstippelen, en bekijk het laatste seizoen van onze favoriete serie.

En we verwachten dat onze smartphones in de toekomst nog krachtiger zullen worden. We willen dat ze de taal in realtime vertalen, vervoer ons naar nieuwe locaties via virtual reality, en verbind ons met het "Internet of Things".

Het computergebruik dat nodig is om deze functies te realiseren, gebeurt niet echt in onze telefoons. Het wordt eerder mogelijk gemaakt door een enorm netwerk van gsm-masten, Wi-Fi-netwerken en enorme, fabrieksgrote datacenters die bekend staan ​​als "serverfarms".

De afgelopen vijf decennia heeft onze toenemende behoefte aan computers werd grotendeels bevredigd door incrementele verbeteringen in conventionele, op silicium gebaseerde computertechnologie:steeds kleiner, steeds sneller, steeds efficiëntere chips. We noemen deze constante krimp van siliciumcomponenten de "wet van Moore".

De wet van Moore is genoemd naar de medeoprichter van Intel, Gordon Moore, die constateerde:"het aantal transistors op een chip verdubbelt elk jaar terwijl de kosten worden gehalveerd."

Maar naarmate we de grenzen van de basisfysica en economie bereiken, De wet van Moore is aan het aflopen. We zouden het einde kunnen zien van efficiëntiewinsten met behulp van stroom, op silicium gebaseerde technologie al in 2020.

Aan onze groeiende vraag naar computercapaciteit moet worden voldaan met winst in computerefficiëntie, anders zal de informatierevolutie vertragen door machtshonger.

Om dit duurzaam te bereiken, moet een nieuwe technologie worden gevonden die minder energie verbruikt bij de berekening. Dit wordt een "beyond CMOS"-oplossing genoemd, in die zin dat het een radicale verschuiving vereist van de op silicium gebaseerde CMOS-technologie (complementaire metaaloxide-halfgeleider) die de afgelopen vijf decennia de ruggengraat van computergebruik is geweest.

Waarom verbruikt computers überhaupt energie?

Het verwerken van informatie kost energie. Als u een elektronisch apparaat gebruikt om tv te kijken, luisteren naar muziek, het weer modelleren of een andere taak waarvoor informatie moet worden verwerkt, er zijn miljoenen en miljoenen binaire berekeningen gaande op de achtergrond. Er worden nullen en enen omgedraaid, toegevoegd, vermenigvuldigd en gedeeld met ongelooflijke snelheden.

Het feit dat een microprocessor deze berekeningen miljarden keren per seconde kan uitvoeren, is precies de reden waarom computers ons leven radicaal hebben veranderd.

Maar informatieverwerking is niet gratis. De natuurkunde vertelt ons dat elke keer dat we een operatie uitvoeren, bijvoorbeeld twee getallen bij elkaar optellen – we moeten energiekosten betalen.

En de kosten van het doen van berekeningen zijn niet de enige energiekosten voor het runnen van een computer. In feite, iedereen die ooit een laptop op zijn benen heeft gebruikt, zal beamen dat de meeste energie wordt omgezet in warmte. Deze warmte komt van de weerstand die elektriciteit ontmoet wanneer het door een materiaal stroomt.

Het is deze verspilde energie als gevolg van elektrische weerstand die onderzoekers hopen te minimaliseren.

Recente ontwikkelingen wijzen op oplossingen

Een computer laten draaien kost altijd wat energie, maar we zijn ver (verschillende ordes van grootte) verwijderd van computers die zo efficiënt zijn als de wetten van de fysica toestaan. Verschillende recente ontwikkelingen geven ons hoop op geheel nieuwe oplossingen voor dit probleem via nieuwe materialen en nieuwe concepten.

Zeer dunne materialen

Een recente stap voorwaarts in de natuurkunde en materiaalkunde is het kunnen bouwen en controleren van materialen die slechts één of enkele atomen dik zijn. Wanneer een materiaal zo'n dunne laag vormt, en de beweging van elektronen is beperkt tot dit blad, het is mogelijk dat elektriciteit zonder weerstand kan stromen.

Er zijn verschillende materialen die deze eigenschap laten zien (of kunnen laten zien). Ons onderzoek bij het ARC Center for Future Low-Energy Electronics Technologies (FLEET) is gericht op het bestuderen van deze materialen.

De studie van vormen

Er is ook een opwindende conceptuele sprong die ons helpt deze eigenschap van elektriciteitsstroom zonder weerstand te begrijpen.

Dit idee komt van een tak van de wiskunde die "topologie" wordt genoemd. Topologie vertelt ons hoe we vormen kunnen vergelijken:wat maakt ze hetzelfde en wat maakt ze anders.

Afbeelding een koffiekopje gemaakt van zachte klei. Je zou deze vorm langzaam kunnen knijpen en knijpen totdat het op een donut lijkt. Het gat in het handvat van de beker wordt het gat in de donut, en de rest van de beker wordt geplet om deel uit te maken van de donut.

Topologie vertelt ons dat donuts en koffiekopjes equivalent zijn omdat we de een in de ander kunnen vervormen zonder het te snijden, gaten erin prikken, of stukken samenvoegen.

Het blijkt dat de vreemde regels die bepalen hoe elektriciteit in dunne lagen stroomt, kunnen worden begrepen in termen van topologie. Dit inzicht stond centraal bij de Nobelprijs 2016, en het stimuleert een enorme hoeveelheid huidig ​​onderzoek in natuurkunde en techniek.

We willen profiteren van deze nieuwe materialen en inzichten om de volgende generatie energiezuinige elektronische apparaten te ontwikkelen, die gebaseerd zal zijn op topologische wetenschap om elektriciteit met minimale weerstand te laten stromen.

Dit werk creëert de mogelijkheid van een duurzame voortzetting van de IT-revolutie - zonder de enorme energiekosten.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.