Zukünftige Computer könnten die Wärmeproduktion reduzieren, indem sie Aufgaben mit Temperaturschwankungen synchronisieren

• Eine neue Methode könnte es modernen CPUs ermöglichen, Berechnungen mit 1.000 mal weniger Energie als der Landauer-Grenzwert (0,0172 Elektronenvolt) durchzuführen.
• Es funktioniert, indem es die Vorgänge mit den Temperaturschwankungen des Prozessors synchronisiert.

In der digitalen Elektronik ist die Energiedissipation heute eine der wichtigsten Designüberlegungen. Da die Verarbeitungseinheiten weiter schrumpfen, nimmt die für die Berechnung erforderliche Spannung ab. Früher oder später erreichen Transistoren eine theoretische Grenze für die minimale Spannung, die für die Ausführung einer einzelnen Aufgabe erforderlich ist.

Kürzlich hat ein Professor, Jan Klaers, von der Universität Twente, Niederlande, „zusammengedrückte thermische Zustände“ vorgeschlagen, die verwendet werden können, um diese theoretische Grenze zu umgehen. Diese Zustände zwingen die Prozessoreinheit, bei niedrigeren Temperaturen effektiv zu arbeiten und dabei weniger Energie zu verbrauchen.

Bestehende Computertechnologie kann diese Zustände nutzen, die in der thermischen Umgebung eines Prozessors natürlich vorkommen. Und in Zukunft könnten Squeeze States genutzt werden, um energieeffizientere elektronische Geräte zu entwickeln.

Energiemenge, die zum Löschen eines Bits erforderlich ist

1961 entwickelte der deutsch-amerikanische Physiker Rolf Landauer während seiner Arbeit für IBM ein digitales thermodynamisches Bit-Modell. Nach diesem Modell erhöht jede logisch irreversible Operation, die Daten verändert, wie das Zurücksetzen oder Löschen eines Speicherbits, die Entropie und eine entsprechende Energiemenge wird als Wärme abgegeben.

Er berechnete die niedrigstmögliche Energie, die zum Löschen oder Zurücksetzen eines Bits erforderlich wäre (vom 1-Zustand in den 0-Zustand), und es stellte sich heraus, dass sie  0,7*k(B)*T beträgt , wobei k(B) die Boltzmann-Konstante und T die Umgebungstemperatur ist.

Dieses Prinzip ist auch für die Quanteninformation, das Quantencomputing und das reversible Computing relevant. Im Jahr 2012 führten Forscher Experimente durch, um dieses Prinzip zu bestätigen.

Das Prinzip funktioniert jedoch nur, wenn sich das System im thermischen Gleichgewicht befindet. Jan Klaers hat jetzt einen neuen Ansatz entwickelt, bei dem die Bohrkrone im Gleichgewicht bleibt und das "Wärmebad" (die Umgebung) durch thermisches Zusammendrücken des Bades aus dem Gleichgewicht geworfen wird.

Referenz:Phys. Rev. Lett. | doi:10.1103/PhysRevLett.122.040602 | APS Physik

Der Begriff „Quetschen“ bezieht sich auf Schwankungen (in Verbindung mit Rauschen), die ungleichmäßig über die verschiedenen Dimensionen des Systems verteilt sind. Das Bad pendelt in der Abquetschphase zwischen 2 Temperaturen:eine unter und eine über der Durchschnittstemperatur. Das bedeutet, dass das Bad zu einem bestimmten Zeitpunkt entweder kalt oder heiß sein kann.

Ein Netzwerk verbundener Bits in einer Computerschaltung | Die Durchführung von Operationen an diesen Bits erfordert Energie, die schließlich als Wärme abgeführt wird (rot) | Quelle: J. Klaers/Universität Twente

Um das Bit mit möglichst wenig Energie zu löschen/zurückzusetzen, ist es notwendig, Operationen im kalten Zustand des Bades durchzuführen. Somit könnte man die Operationen mit Temperaturschwankungen synchronisieren, um die Energiekosten zum Zurücksetzen des Bits zu reduzieren. Tatsächlich hat Klaers herausgefunden, dass es keine Untergrenze für die Energiekosten gibt:Je mehr Sie das Bad zusammendrücken, desto niedriger sind die Energiekosten.

Können wir diese Technik auf vorhandene Computer anwenden?

Laut dem Forscher könnte diese Methode für heutige Computerbits verwendet werden und hat das Potenzial, 1.000-mal mehr Energie einzusparen als die Landauer-Grenze.

Der Einsatz dieser Technik in der modernen Computertechnik hat einen großen Vorteil:Die gequetschte thermische Umgebung gibt es gratis dazu. Moderne Prozessoren führen Berechnungen durch, indem sie Millionen von Bits löschen oder umschalten, und jede Operation setzt eine gewisse Wärmemenge frei.

Da die Wärmeabgabe mit der vom CPU-Takt bestimmten Frequenz erfolgt, schwingt die Temperatur des Bades. Obwohl solche Schwingungen komplizierte Muster haben, ist das Verhalten eine Form des Zusammendrückens.

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Ingenieure könnten dieses Squeezing so konfigurieren, dass Bits immer im kalten Zustand verarbeitet werden. Auf diese Weise würden durch thermische Schwingungen getriebene Berechnungen weniger Strom verbrauchen, aber genau wie viel weniger müsste noch untersucht werden.