Datorsystem producerar mycket värme. Datacenter är fulla av surrande kylfläktar, och även smartphones kan värmas upp med hög användning. Att minska energiförbrukningen är en av de största utmaningarna inom informationsteknologi. Men det finns en teoretisk, temperaturberoende nedre gräns för kylning, som Rolf Landauer konstaterade på 1960-talet. Jan Klaers från UT visar nu att genom att smart tajma interaktionen mellan värme och logiska operationer, det är möjligt att gå ännu lägre än denna gräns. Denna nya teori, presenteras i Fysiska granskningsbrev , kan leda till allt mer energieffektiv elektronik.

Långt före det storskaliga införandet av datorsystem, 1961, Rolf Landauer (1927-1999) publicerade sin berömda artikel om den minsta mängd energi som behövs för att radera en bit information, det är, ändra det från tillståndet "ett" till tillståndet "noll". Detta minimum, enligt Landauers raderingsprincip, är temperaturberoende, och kopplar samman termodynamikens lagar och informationsteori.

Många år senare, under 2012, experiment publicerade i Natur bekräftade principen. För den nuvarande generationen datorer, denna nedre gräns har ännu inte uppnåtts; typisk energiförbrukning för en logisk operation är fortfarande cirka 1, 000 gånger högre. Men detta kommer säkerligen att förändras under de kommande decennierna. Kommer beräkningen då att nå en grundläggande gräns? I sin tidning, Jan Klaers föreslår ett sätt att minska energikostnaderna genom att synkronisera datordrift och temperatur på ett smart sätt. Med denna teknik, det kommer att vara möjligt att sänka energin som behövs för radering under Landauer-gränsen.

Fungerar när det är kallt

Med tanke på de många logiska operationerna som äger rum i en dator, temperaturprofilen är komplex. Om en bit ändrar tillstånd vid en viss logisk grind, temperaturförändringen kommer att ske i de omgivande grindarna, också. Även om det är komplext, temperatur och energiförbrukning har samma rytm som mikroprocessorns klocka. Dessa kallas sammanpressade termiska tillstånd, och de kan observeras under datordrift. Det betyder att vid vissa tidpunkter, temperaturen och energikostnaderna är lägre för samma operationer. Att synkronisera de logiska operationerna med dessa ögonblick då temperaturen i praktiken är kallare kommer att leda till att energiförbrukningen är lägre än Landauer-gränsen.

Klaers analyserade en minimalistisk mekanisk modell som representerade ett enbitsminne som liknade det Landauer använde för sin teori. Ytterligare forskning kommer att behöva visa vilka resultat som kan uppnås i faktiska datorsystem.

Dr. Jan Klaers är en forskare inom gruppen Complex Photonic Systems, en del av UT:s MESA+ Institute. Inom gruppen, han startade sin egen forskningsriktning inom området experimentell kvanttermodynamik.