Computersystemen produceren veel warmte. Datacenters staan ​​vol met zoemende koelventilatoren, en zelfs smartphones kunnen warm worden bij intensief gebruik. Het verminderen van het energieverbruik is een van de belangrijkste uitdagingen in de informatietechnologie. Maar er is een theoretische temperatuurafhankelijke ondergrens voor koeling, zoals Rolf Landauer in de jaren zestig stelde. Jan Klaers van de UT laat nu zien dat door het samenspel van warmte en logische bewerkingen slim te timen, het is mogelijk om nog lager te gaan dan deze limiet. Deze nieuwe theorie, gepresenteerd in Fysieke beoordelingsbrieven , kan leiden tot steeds energiezuinigere elektronica.

Lang voor de grootschalige introductie van computersystemen, in 1961, Rolf Landauer (1927-1999) publiceerde zijn beroemde artikel over de minimale hoeveelheid energie die nodig is om één stukje informatie te wissen, dat is, het veranderen van de "één" staat naar de "nul" staat. Dit minimum, volgens het wisprincipe van Landauer, is temperatuurafhankelijk, en verbindt de wetten van de thermodynamica en informatietheorie.

Vele jaren later, in 2012, experimenten gepubliceerd in Natuur bevestigde het principe. Voor de huidige generatie computers deze ondergrens is nog niet bereikt; typisch energieverbruik van een logische operatie is nog steeds ongeveer 1, 000 keer hoger. Maar dat gaat de komende decennia zeker veranderen. Zal de computer dan een fundamentele limiet bereiken? In zijn krant, Jan Klaers stelt een manier voor om de energiekosten te verlagen door computerbewerkingen en temperatuur op een slimme manier te synchroniseren. Met deze techniek, het zal mogelijk zijn om de energie die nodig is voor het wissen te verlagen tot onder de Landauer-limiet.

Werkend als het koud is

Gezien de vele logische bewerkingen die in een computer plaatsvinden, het temperatuurprofiel is complex. Als een bit van toestand verandert bij een bepaalde logische poort, de temperatuurverandering zal plaatsvinden in de omringende poorten, ook. Hoewel complex, temperatuur en energieverbruik hebben hetzelfde ritme als de klok van de microprocessor. Dit worden geperste thermische toestanden genoemd, en ze kunnen worden waargenomen tijdens computergebruik. Dit betekent dat er op bepaalde momenten de temperatuur- en energiekosten zijn lager voor dezelfde operaties. Door de logische bewerkingen te synchroniseren met deze momenten waarop de temperatuur effectief lager is, zal het energieverbruik lager zijn dan de Landauer-grens.

Klaers analyseerde een minimalistisch mechanisch model dat een 1-bits geheugen voorstelt dat lijkt op het geheugen dat Landauer voor zijn theorie gebruikte. Nader onderzoek zal moeten uitwijzen welke resultaten in daadwerkelijke computersystemen bereikt kunnen worden.

Dr. Jan Klaers is onderzoeker van de groep Complex Photonic Systems, onderdeel van het MESA+ Instituut van de UT. Binnen de groep, hij begon zijn eigen onderzoeksrichting op het gebied van experimentele kwantumthermodynamica.