In de ruimte in een computerchip, waar elektriciteit informatie wordt, er is een wetenschappelijke grens. Dezelfde grens is te vinden in een cel, waar informatie in plaats daarvan de vorm aanneemt van chemische concentraties. Recente doorbraken op het gebied van statistische fysica zonder evenwicht hebben enorme onderzoeksgebieden aan het licht gebracht die verborgen liggen in de 'thermodynamica van de berekening'. Vooruitgang op dit gebied, die elementen van statistische fysica omvat, computertechnologie, celbiologie, en mogelijk zelfs neurobiologie, kan verstrekkende gevolgen hebben voor hoe we begrijpen, en ingenieur, onze computers. Om dit lijnonderzoek een kickstart te geven, Wetenschappers van het Santa Fe Institute en hun medewerkers hebben een online wiki voor samenwerking gelanceerd. Deze week publiceerden ze ook een paper dat de recente ontwikkelingen en open vragen over thermodynamica en berekeningen netjes samenvat.

"De thermodynamische beperkingen op alle systemen die berekeningen uitvoeren, zorgen voor grote uitdagingen voor het moderne ontwerp van computers, " schrijven de onderzoekers in de openingsparagraaf van de wiki, ontworpen om "te dienen als een hub en een ontmoetingsplaats voor iedereen die geïnteresseerd is." Ze schetsen vervolgens de omvang van het energieverbruik van computers en de technische uitdagingen die ontstaan ​​wanneer een deel van die energie verloren gaat als afvalwarmte. De wiki vergelijkt ook natuurlijke berekeningen, uitgevoerd door cellen of menselijke hersenen, tot kunstmatige berekeningen, die duidelijk minder efficiënt zijn.

Het onderzoek haakt in op het werk van Rolf Landauer, die in 1961 postuleerde dat om een ​​enkel stukje informatie te wissen - een 1 of een 0 - een bepaalde hoeveelheid energie verloren moet gaan als warmte. Het inzicht van Landauer is goed bekend bij computerwetenschappers en heeft geleid tot een informele stelregel om het wissen van bits waar mogelijk te vermijden.

Verder gaan dan de kosten van Landauer, het nieuwe artikel probeert over te brengen dat "er meer is aan de thermodynamica van berekeningen dan alleen het wissen van bits, ", zegt co-auteur Joshua Grochow van de University of Colorado Boulder. Het artikel, gepubliceerd in de informatica-nieuwsbrief SIGACT News, presenteert aanvullende factoren die van invloed kunnen zijn op hoe energie tijdens een berekening in en uit atomen stroomt.

Om andere wetenschappers te bereiken die mogelijk geïnteresseerd zijn in het nastreven van een thermodynamica van berekeningen, Grochow en co-auteur David Wolpert van het Santa Fe Institute catalogiseren enkele van de nieuwe hulpmiddelen uit de statistische fysica die van toepassing zijn op niet-evenwichtssystemen, zoals computers.

"Een deel van wat we met dit artikel proberen te doen, is de lessen van niet-evenwichtsstatistieken [natuurkunde] van de afgelopen 20 jaar op een zodanige manier verpakken dat duidelijk wordt wat de nieuwe computationele vragen zijn, " Grochow legt uit. Hij hoopt dat door te presenteren wat er nu bekend is over de relatie tussen thermodynamica en de microscopische processen die plaatsvinden tijdens de berekening, het artikel zal "computerwetenschappers verleiden om aan een nieuwe generatie vragen te werken."

Een van deze vragen betreft hoe computers thermodynamisch kunnen worden "afgestemd" op de input die ze het meest waarschijnlijk tegenkomen. Grochow geeft het voorbeeld van een rekenmachine die thermodynamisch is geoptimaliseerd voor willekeurige 32-bits tekenreeksinvoer (gelijk aan een decimale waarde van 10 cijfers). De meeste menselijke gebruikers voeren geen invoer in waarvoor een van de hogere bits nodig is. Als de rekenmachine opnieuw is ontworpen om minder dan 32 bits te "verwachten", zou het minder energie verspillen in de vorm van warmte?

Naast de nauwkeurigheid van een berekening, Grochow zegt dat de hoeveelheid geheugen die een berekening nodig heeft en hoe lang de berekening duurt, andere aspecten zijn die de thermodynamische efficiëntie kunnen beïnvloeden.

Wolpert hoopt dat hun onderzoek zal worden uitgebreid met andere recente doorbraken uit de statistische fysica, zoals de Jarzinski-vergelijking. Deze vergelijking biedt een probabilistische brug tussen de wereld op macroschaal, waar entropie alleen maar kan toenemen, en de wereld op microschaal, waar het niet. Sommige computertransistors zijn klein genoeg om tussen deze macro- en microschalen te bestaan.

"We breiden de computerwetenschapstheorie uit, die oorspronkelijk werd gemotiveerd door real-world systemen, naar andere aspecten van die systemen waar het voorheen niet eens over na had kunnen denken, ’ zegt Wolpert.

De theorie zou kunnen leiden tot technische vooruitgang die koeler, krachtigere machines, zoals exascale-computers en zelfs kleine zwermrobots. Het kan ook van invloed zijn op de duurzaamheid van computertechnologie.

"Computers gebruiken nu een niet-triviale fractie van energie in eerstewereldlanden, ", zegt Grochow. "Gezien het feit dat computergebruik zal blijven groeien, het verminderen van de energie die ze verbruiken is enorm belangrijk om onze totale energievoetafdruk te verkleinen."