En el espacio dentro de un chip de computadora, donde la electricidad se convierte en información, hay una frontera científica. La misma frontera se puede encontrar dentro de una celda, donde la información, en cambio, toma la forma de concentraciones químicas. Los recientes avances en el campo de la física estadística del desequilibrio han revelado vastas áreas de investigación escondidas dentro de la "termodinámica de la computación". Avances en este campo, que involucra elementos de la física estadística, Ciencias de la Computación, biología celular, y posiblemente incluso neurobiología, podría tener consecuencias de gran alcance sobre cómo entendemos, e ingeniero, nuestras computadoras. Para poner en marcha esta línea de investigación, Los científicos del Instituto Santa Fe y sus colaboradores han lanzado una wiki en línea para colaborar. Esta semana también publicaron un artículo que resume cuidadosamente los avances recientes y preguntas abiertas que pertenecen a la termodinámica y la computación.

"Las restricciones termodinámicas en todos los sistemas que realizan computación presentan grandes desafíos para el diseño moderno de computadoras, "los investigadores escriben en el párrafo inicial de la wiki, diseñado para "servir como un centro y un lugar de reunión para todos los que estén interesados". Continúan describiendo la magnitud de la energía consumida por las computadoras y los desafíos de ingeniería que resultan cuando una parte de esa energía se pierde como calor residual. La wiki también compara cálculos naturales, realizado por células o cerebros humanos, a cálculos artificiales, que son notablemente menos eficientes.

La investigación retoma el trabajo de Rolf Landauer, quien en 1961 postuló que para borrar un solo bit de información —un 1 o un 0— se debe perder cierta cantidad de energía en forma de calor. La visión de Landauer es bien conocida por los científicos informáticos y ha llevado a una máxima informal para evitar el borrado de bits siempre que sea posible.

Yendo más allá del costo de Landauer, el nuevo artículo intenta transmitir que "hay más en la termodinámica de la computación que solo el borrado de bits, "dice el coautor Joshua Grochow de la Universidad de Colorado Boulder. El artículo, publicado en el boletín informativo SIGACT News, presenta factores adicionales que podrían afectar la forma en que la energía entra y sale de los átomos durante un cálculo.

Para llegar a otros científicos que podrían estar interesados ​​en seguir una termodinámica de la computación, Grochow y el coautor David Wolpert del Instituto Santa Fe catalogan algunas de las nuevas herramientas de la física estadística que se aplican a los sistemas que no están en equilibrio, como las computadoras.

"Parte de lo que estamos tratando de hacer con este documento es agrupar las lecciones de la [física] estadística del desequilibrio durante los últimos 20 años de una manera que aclare cuáles son las nuevas preguntas computacionales, Grochow explica. Él espera que al presentar lo que se sabe ahora sobre la relación entre la termodinámica y los procesos microscópicos que ocurren durante la computación, el artículo "incitará a los informáticos a trabajar en una nueva generación de cuestiones".

Una de estas preguntas tiene que ver con cómo "sintonizar" termodinámicamente las computadoras con las entradas que es más probable que encuentren. Grochow da el ejemplo de una calculadora optimizada termodinámicamente para entradas de cadenas de 32 bits aleatorias (equivalente a un valor decimal de 10 dígitos). La mayoría de los usuarios humanos no ingresan entradas que requieran alguno de los bits más altos. Si la calculadora fuera rediseñada para "esperar" menos de 32 bits, ¿Gastaría menos energía en forma de calor?

Más allá de la precisión de un cálculo, Grochow dice que la cantidad de memoria que requiere un cálculo y cuánto tiempo lleva el cálculo son otros aspectos que podrían afectar su eficiencia termodinámica.

Wolpert espera que su investigación se amplíe para incorporar otros avances recientes de la física estadística, como la ecuación de Jarzinski. Esta ecuación proporciona un puente probabilístico entre el mundo de la macroescala, donde la entropía solo puede aumentar, y el mundo a microescala, donde no lo hace. Algunos transistores de computadora son lo suficientemente pequeños como para existir entre estas escalas macro y micro.

"Estamos ampliando la teoría de la informática, que originalmente estaba motivado por sistemas del mundo real, a otros aspectos de esos sistemas en los que nunca supo pensar antes, "dice Wolpert.

La teoría podría conducir a avances de ingeniería que permitirían máquinas más potentes, como computadoras a exaescala e incluso pequeños robots enjambres. También podría afectar la sostenibilidad de la tecnología informática.

"Las computadoras ahora usan una fracción no trivial de energía en los países del primer mundo, "dice Grochow." Dado que la informática seguirá creciendo, reducir la energía que consumen es muy importante para reducir nuestra huella energética general ".