Det råder ingen tvekan om att informationsteknikrevolutionen har förbättrat våra liv. Men om vi inte hittar en ny form av elektronisk teknik som använder mindre energi, datorer kommer att begränsas av en "energikris" inom årtionden.

Även de vanligaste händelserna i vårt dagliga liv - att ringa, skicka ett textmeddelande eller kontrollera ett e -postmeddelande - använd datorkraft. Några uppgifter, som att titta på videor, kräver mycket bearbetning, och så förbrukar mycket energi.

På grund av den energi som krävs för att driva den massiva, datacenter och nätverk i fabriksstorlek som ansluter internet, datorer förbrukar redan 5% av global el. Och den elbelastningen fördubblas varje decennium.

Lyckligtvis, det finns nya fysikområden som lovar massivt minskad energianvändning.

Slutet på Moores lag

Människor har ett omättat krav på datorkraft.

Smartphones, till exempel, har blivit en av de viktigaste enheterna i våra liv. Vi använder dem för att komma åt väderprognoser, planera den bästa vägen genom trafiken, och se den senaste säsongen av vår favoritserie.

Och vi förväntar oss att våra smartphones kommer att bli ännu kraftfullare i framtiden. Vi vill att de ska översätta språket i realtid, transportera oss till nya platser via virtual reality, och anslut oss till "sakernas internet".

Datorn som krävs för att dessa funktioner ska bli verklighet händer faktiskt inte i våra telefoner. Det aktiveras snarare av ett stort nätverk av mobiltelefontorn, Wi-Fi-nätverk och massiva, datacenter i fabriksstorlek som kallas "serverfarmar".

Under de senaste fem decennierna har vårt ökande datorbehov tillgodoses till stor del av stegvisa förbättringar av konventionella, kiselbaserad datorteknik:allt mindre, allt snabbare, ständigt effektivare marker. Vi hänvisar till denna konstanta krympning av kiselkomponenter som "Moores lag".

Moores lag är uppkallad efter Intels medgrundare Gordon Moore, som observerade att:"antalet transistorer på ett chip fördubblas varje år medan kostnaderna halveras."

Men när vi når gränserna för grundläggande fysik och ekonomi, Moores lag håller på att avvecklas. Vi kunde se slutet på effektivitetsvinster med hjälp av ström, kiselbaserad teknik så snart som 2020.

Vår växande efterfrågan på datorkapacitet måste mötas med ökad datorteffektivitet, annars kommer informationsrevolutionen att sakta ner från makt hunger.

Att uppnå detta på ett hållbart sätt innebär att hitta en ny teknik som använder mindre energi vid beräkning. Detta kallas en "bortom CMOS" -lösning, genom att det kräver ett radikalt skifte från den kiselbaserade CMOS-tekniken (komplementär metall-oxid-halvledare) som har varit ryggraden i beräkning under de senaste fem decennierna.

Varför förbrukar datorer överhuvudtaget energi?

Behandling av information tar energi. När du använder en elektronisk enhet för att titta på TV, lyssna på musik, modellera vädret eller någon annan uppgift som kräver att informationen behandlas, det finns miljoner och miljoner binära beräkningar som pågår i bakgrunden. Det är nollor och sådana som vänds, Lagt till, multipliceras och delas med otroliga hastigheter.

Det faktum att en mikroprocessor kan utföra dessa beräkningar miljarder gånger i sekunden är exakt varför datorer har revolutionerat våra liv.

Men informationsbehandling kommer inte gratis. Fysiken berättar att varje gång vi utför en operation - t.ex. lägga till två nummer tillsammans - vi måste betala en energikostnad.

Och kostnaden för att göra beräkningar är inte den enda energikostnaden för att köra en dator. Faktiskt, alla som någonsin har använt en bärbar dator balanserad på benen kommer att intyga att det mesta av energin omvandlas till värme. Denna värme kommer från motståndet som elektricitet möter när den flyter genom ett material.

Det är denna bortkastade energi på grund av elektrisk motstånd som forskare hoppas kunna minimera.

De senaste framstegen pekar på lösningar

Att köra en dator kräver alltid lite energi, men vi är långt borta (flera storleksordningar) från datorer som är så effektiva som fysiklagarna tillåter. Flera senaste framsteg ger oss hopp om helt nya lösningar på detta problem via nya material och nya koncept.

Mycket tunna material

Ett nytt steg framåt inom fysik och materialvetenskap är att kunna bygga och kontrollera material som bara är en eller några atomer tjocka. När ett material bildar ett så tunt lager, och elektronernas rörelse är begränsad till detta ark, det är möjligt för el att flöda utan motstånd.

Det finns en rad olika material som visar den här egenskapen (eller kan visa den). Vår forskning vid ARC Center for Future Low-Energy Electronics Technologies (FLEET) är inriktad på att studera dessa material.

Studiet av former

Det finns också ett spännande begreppssprång som hjälper oss att förstå denna egenskap hos elflöde utan motstånd.

Denna idé kommer från en gren av matematik som kallas "topologi". Topologi berättar hur vi kan jämföra former:vad gör dem lika och vad gör dem olika.

Bild en kaffekopp gjord av mjuk lera. Du kan långsamt klämma och pressa den här formen tills den ser ut som en munk. Hålet i koppens handtag blir hålet i munken, och resten av koppen kläms för att utgöra en del av munken.

Topologi berättar att munkar och kaffekoppar är likvärdiga eftersom vi kan deformera den ena till den andra utan att skära den, sticka hål i den, eller sammanfoga bitar.

Det visar sig att de märkliga regler som styr hur elektricitet flyter i tunna lager kan förstås i termer av topologi. Denna insikt var i fokus för Nobelpriset 2016, och det driver en enorm mängd aktuell forskning inom fysik och teknik.

Vi vill dra nytta av dessa nya material och insikter för att utveckla nästa generation av lågenergi-elektronikenheter, som kommer att baseras på topologisk vetenskap för att låta elektricitet flöda med minimalt motstånd.

Detta arbete skapar möjligheten till en hållbar fortsättning av IT -revolutionen - utan den enorma energikostnaden.

Denna artikel publiceras från The Conversation under en Creative Commons -licens. Läs originalartikeln.