Los sistemas informáticos producen mucho calor. Los centros de datos están llenos de ventiladores de refrigeración que zumban, e incluso los teléfonos inteligentes pueden calentarse con un uso intensivo. Reducir el consumo de energía es uno de los principales desafíos de las tecnologías de la información. Pero hay un teórico, límite inferior de refrigeración dependiente de la temperatura, como afirmó Rolf Landauer en la década de 1960. Jan Klaers de UT ahora muestra que al sincronizar inteligentemente la interacción del calor y las operaciones lógicas, es posible ir incluso por debajo de este límite. Esta nueva teoría, presentado en Cartas de revisión física , puede conducir a una electrónica cada vez más eficiente desde el punto de vista energético.

Mucho antes de la introducción a gran escala de los sistemas informáticos, en 1961, Rolf Landauer (1927-1999) publicó su famoso artículo sobre la cantidad mínima de energía necesaria para borrar un poco de información, es decir, cambiándolo del estado "uno" al estado "cero". Este mínimo, según el principio de borrado de Landauer, depende de la temperatura, y conecta las leyes de la termodinámica y la teoría de la información.

Muchos años después, en 2012, experimentos publicados en Naturaleza confirmó el principio. Para la generación actual de computadoras, este límite inferior aún no se ha alcanzado; El consumo de energía típico de una operación lógica sigue siendo aproximadamente 1, 000 veces mayor. Pero esto ciertamente cambiará en las próximas décadas. ¿Llegará entonces la informática a un límite fundamental? En su papel, Jan Klaers propone una forma de reducir el costo de energía sincronizando las operaciones de la computadora y la temperatura de una manera inteligente. Con esta técnica, será posible reducir la energía necesaria para el borrado por debajo del límite de Landauer.

Operando cuando hace frío

Considerando las muchas operaciones lógicas que tienen lugar en una computadora, el perfil de temperatura es complejo. Si un bit cambia de estado en una determinada puerta lógica, el cambio de temperatura ocurrirá en las puertas circundantes, así como. Aunque complejo, La temperatura y el consumo de energía tienen el mismo ritmo que el reloj del microprocesador. Estos se denominan estados térmicos comprimidos, y se pueden observar durante el funcionamiento de la computadora. Esto significa que en ciertos momentos, los costos de temperatura y energía son menores para las mismas operaciones. Sincronizar las operaciones lógicas con estos momentos en los que la temperatura es efectivamente más fría conducirá a un consumo de energía inferior al límite de Landauer.

Klaers analizó un modelo mecánico minimalista que representa una memoria de un bit similar a la que Landauer usó para su teoría. La investigación adicional deberá mostrar qué resultados se pueden lograr en los sistemas informáticos reales.

El Dr. Jan Klaers es investigador del grupo Complex Photonic Systems, parte del Instituto MESA + de UT. Dentro del grupo, comenzó su propia dirección de investigación en el campo de la termodinámica cuántica experimental.