I utrymmet inuti ett datorchip, där el blir information, det finns en vetenskaplig gräns. Samma gräns kan hittas inuti en cell, där information istället tar formen av kemiska koncentrationer. De senaste genombrotten inom statistikfysik i obalans har avslöjat stora forskningsområden som ligger gömda inom "beräkningens termodynamik." Framsteg inom detta område, som involverar element i statistisk fysik, datavetenskap, cellulär biologi, och möjligen även neurobiologi, kan få långtgående konsekvenser för hur vi förstår, och ingenjör, våra datorer. För att komma igång med denna forskning, Santa Fe Institute forskare och deras medarbetare har lanserat en online wiki för samarbete. Den här veckan publicerade de också ett papper som snyggt sammanfattar de senaste framstegen och öppna frågor som rör termodynamik och beräkning.

"De termodynamiska begränsningarna för alla system som utför beräkning ger stora utmaningar för den moderna designen av datorer, "skriver forskarna i inledningsavsnittet i wikin, utformad för att "fungera som ett nav och en samlingsplats för alla som är intresserade." De fortsätter med att beskriva omfattningen av energiförbrukning av datorer och de tekniska utmaningar som uppstår när en del av den energin går förlorad som spillvärme. Wiki jämför också naturliga beräkningar, utförs av celler eller mänskliga hjärnor, till konstgjorda beräkningar, som är betydligt mindre effektiva.

Forskningen tar upp arbetet av Rolf Landauer, som 1961 postulerade att för att radera en enda bit information - en 1 eller en 0 - måste en viss mängd energi gå förlorad som värme. Landauer insikt är välkänt för datavetenskapare och har lett till en informell maxim för att undvika bitradering när det är möjligt.

Utöver Landauers kostnad, det nya papperet försöker förmedla att "det finns mer i beräkningens termodynamik än bara radering, "säger medförfattaren Joshua Grochow från University of Colorado Boulder. Tidningen, publicerad i datavetenskapliga nyhetsbrevet SIGACT News, presenterar ytterligare faktorer som kan påverka hur energi flödar in och ut ur atomer under en beräkning.

För att nå andra forskare som kan vara intresserade av att bedriva en termodynamik i beräkning, Grochow och medförfattare David Wolpert från Santa Fe Institute katalogiserar några av de nya verktygen från statistisk fysik som gäller för obalanssystem-som datorer.

"En del av det vi försöker göra med den här artikeln är att paketera in lektionerna från statistik [fysik] i jämvikt under de senaste 20 åren på ett sätt som gör det tydligt vad de nya beräkningsfrågorna är, "Förklarar Grochow. Han hoppas att genom att presentera vad som nu är känt om förhållandet mellan termodynamik och de mikroskopiska processer som sker under beräkningen, tidningen kommer att "locka datavetare att arbeta med en ny generation frågor".

En av dessa frågor handlar om hur man termodynamiskt "ställer in" datorer på de ingångar som de mest sannolikt kommer att stöta på. Grochow ger exemplet på en miniräknare som är termodynamiskt optimerad för slumpmässiga 32-bitars strängingångar (motsvarande ett decimalvärde på 10 siffror). Majoriteten av mänskliga användare anger inte ingångar som kräver någon av de högre bitarna. Om räknaren konstruerades om för att "förvänta" färre än 32 bitar, skulle det slösa mindre energi i form av värme?

Utöver en beräknings noggrannhet, Grochow säger att mängden minne en beräkning kräver och hur lång tid beräkningen tar är andra aspekter som kan påverka dess termodynamiska effektivitet.

Wolpert hoppas att deras forskning kommer att expandera för att inkludera andra senaste genombrott från statistisk fysik, som Jarzinski -ekvationen. Denna ekvation ger en sannolikhetsbro mellan makroskalan, där entropi bara kan öka, och mikroskalavärlden, där det inte gör det. Vissa datortransistorer är små nog att existera mellan dessa makro- och mikroskalor.

"Vi utökar datavetenskapsteori, som ursprungligen motiverades av verkliga system, till andra aspekter av de system som det aldrig ens visste att tänka på tidigare, säger Wolpert.

Teorin kan leda till tekniska framsteg som möjliggör svalare, kraftfullare maskiner, som exascale -datorer och till och med små svärmrobotar. Det kan också påverka datorteknikens hållbarhet.

"Datorer använder nu en icke-trivial bråkdel av energi i första världens länder, "säger Grochow." Med tanke på att datorerna kommer att fortsätta att växa, Att minska energin de förbrukar är oerhört viktigt för att minska vårt totala energifotavtryck. "