Revolutionäre CPU-Technik senkt Wärmeentwicklung durch Synchronisation mit Temperaturschwankungen

Eine neue Methode könnte es modernen CPUs ermöglichen, Berechnungen mit dem 1.000-fachen weniger Energie als dem Landauer-Limit (0,0172 Elektronenvolt) durchzuführen. Der Schlüssel liegt in der Synchronisation der Operationen mit den Temperaturschwankungen des Prozessors.

Energieverbrauch in der digitalen Elektronik

In der digitalen Elektronik ist die Energieableitung heute eine der wichtigsten Designüberlegungen. Da sich Verarbeitungseinheiten weiter verkleinern, sinkt die pro Berechnung benötigte Spannung. Früher oder später werden Transistoren ein theoretisches Limit für die minimal erforderliche Spannung erreichen, um eine einzelne Aufgabe auszuführen.

Kürzlich schlug Professor Jan Klaers von der Universität Twente in den Niederlanden «gequetschte thermische Zustände» vor, die genutzt werden können, um dieses theoretische Limit zu umgehen. Diese Zustände zwingen die Verarbeitungseinheit effektiv dazu, bei niedrigeren Temperaturen zu arbeiten und dabei weniger Energie zu verbrauchen.

Bestehende Computertechnologie kann diese Zustände nutzen, die natürlich in der thermischen Umgebung eines Prozessors auftreten. In Zukunft könnten gequetschte Zustände für die Entwicklung energieeffizienterer elektronischer Geräte ausgenutzt werden.

Energiebedarf zum Löschen eines Bits

1961 entwickelte der deutsch-amerikanische Physiker Rolf Landauer während seiner Arbeit bei IBM ein thermodynamisches Modell für digitale Bits. 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 niedrigste mögliche Energie, die zum Löschen oder Zurücksetzen eines Bits (vom 1-Zustand in den 0-Zustand) erforderlich wäre: 0,7 × k(B) × T, wobei k(B) die Boltzmann-Konstante und T die Umgebungstemperatur ist.

Dieses Prinzip ist auch für Quanteninformation, Quantencomputing und reversibles Computing relevant. 2012 bestätigten Experimente dieses Prinzip.

Das Prinzip gilt jedoch nur, wenn das System im thermischen Gleichgewicht ist. Jan Klaers hat nun einen neuen Ansatz entwickelt, bei dem das Bit im Gleichgewicht bleibt, das «Wärmebad» (die Umgebung) aber durch thermisches Quetschen aus dem Gleichgewicht gebracht wird.

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

Der Begriff «Quetschen» bezieht sich auf Fluktuationen (assoziiert mit Rauschen), die ungleichmäßig über die verschiedenen Dimensionen des Systems verteilt sind. Das Bad oszilliert im gequetschten Zustand zwischen zwei Temperaturen: einer unter und einer über der Durchschnittstemperatur. Das bedeutet, das Bad kann zu einem bestimmten Moment entweder kalt oder heiß sein.

Ein Netzwerk verbundener Bits in einem Computerschaltkreis | Operationen an diesen Bits erfordern Energie, die schließlich als Wärme dissipiert wird (rot) | Credit: J. Klaers/Universität Twente

Um ein Bit mit minimal möglicher Energie zu löschen/zurückzusetzen, müssen Operationen durchgeführt werden, wenn das Bad in seinem kalten Zustand ist. So lässt sich der Energieaufwand für das Zurücksetzen des Bits durch Synchronisation mit den Temperaturschwankungen reduzieren. Tatsächlich entdeckte Klaers, dass es keine untere Grenze für den Energieaufwand gibt: je stärker man das Bad quetscht, desto niedriger der Energieaufwand.

Anwendung in bestehenden Computern

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

Ein großer Vorteil dieser Technik in moderner Computertechnologie: die gequetschte thermische Umgebung kommt «kostenlos». Moderne Prozessoren führen Berechnungen durch, indem sie Millionen von Bits löschen oder umschalten, wobei jede Operation eine gewisse Wärmemenge freisetzt.

Da die Wärmeabgabe mit der durch den CPU-Takt bestimmten Frequenz erfolgt, oszilliert die Temperatur des Bades. Obwohl solche Oszillationen komplexe Muster aufweisen, handelt es sich um eine Form des Quetschens.

Ingenieure könnten dieses Quetschen so konfigurieren, dass Bits immer verarbeitet werden, wenn sie sich im kalten Zustand befinden. Auf diese Weise würden Berechnungen, die durch thermische Oszillationen getrieben werden, weniger Strom verbrauchen – genau wie viel weniger, muss noch untersucht werden.