Au cas où vous ne l'avez pas remarqué, les ordinateurs sont chauds - littéralement.Un ordinateur portable peut pomper la chaleur de la cuisse, tandis que les centres de données consomment environ 200 térawattheures chaque année - comparable à la consommation d'énergie de certains pays de taille moyenne.L'empreinte carbone des technologies de l'information et de la communication dans son ensemble est proche de celle de l'utilisation du carburant dans l'industrie de l'aviation.Et comme les circuits informatiques deviennent de plus en plus petits et plus densément emballés, il devient plus sujet à la fonte de l'énergie qu'elle se dissipe sous forme de chaleur.
Maintenant physicienJames Crutchfield de l'Université de Californie à Davis, et son étudiant diplômé Kyle Ray ont proposé une nouvelle façon d'effectuer un calcul qui ne dissiperait qu'une petite fraction de la chaleur produite par les circuits conventionnels.En fait, leur approche, décrite dans un récent document de préparation, pourrait apporter une dissipation de chaleur en dessous du minimum théorique que les lois de la physique imposent aux ordinateurs d'aujourd'hui.Cela pourrait réduire considérablement l'énergie nécessaire pour effectuer des calculs et garder les circuits frais.Et tout pourrait être fait, disent les chercheurs, en utilisant des appareils microélectroniques qui existent déjà.
En 1961, le physicien Rolf Landauer de ThomasJ d'IBM.Watson Research Center à Yorktown Heights, n.Y., a montré que l'informatique conventionnelle entraîne un coût inévitable de dissipation d'énergie - en grande partie, dans la génération de la chaleur et de l'entropie.C'est parce qu'un ordinateur conventionnel doit parfois effacer des informations dans ses circuits de mémoire afin de faire de la place pour plus.Chaque fois qu'un seul bit (avec la valeur 1 ou 0) est réinitialisé, une certaine quantité minimale d'énergie est dissipée - que Ray et Crutchfield ont baptisé «le Landauer." Its value depends on ambient temperature: in your living room, one Landauer would be around 10–21 joule.(À titre de comparaison, une bougie allumée émet sur l'ordre de 10 joules d'énergie par seconde.)
Computer scientists have long recognized that Landauer’s limit on how little heat a computation produces can be undercut by not erasing any information.Un calcul effectué de cette façon est entièrement réversible car il n'y a aucune information signifie que chaque étape peut être retracée.Cela peut sembler comme si ce processus remplirait rapidement la mémoire d'un ordinateur.Mais dans les années 1970, Charles Bennett, également à t.J.Watson, a montré qu'au lieu de rejeter des informations à la fin du calcul, on pouvait le configurer pour «décomputer» des résultats intermédiaires qui ne sont plus nécessaires en inversant leurs étapes logiques et en renvoyant l'ordinateur à son état d'origine.
La capture est que, pour éviter de transférer toute chaleur, c'est-à-dire pour être ce que les physiciens appellent un processus adiabatique - la série d'opérations logiques dans le calcul doit généralement être effectuée infiniment lentement.Dans un sens, cette approche évite tout «chauffage de friction» dans le processus, mais au prix de prendre infiniment longtemps pour terminer le calcul.
Cela ne semble guère une solution pratique, alors.«La sagesse conventionnelle depuis longtemps est que la dissipation énergétique dans l'informatique réversible est proportionnelle à la vitesse», explique l'informatique Michael Frank des laboratoires nationaux de Sandia à Albuquerque, N.M.
À la limite - et au-delà
L'informatique à base de silicium ne s'approche pas de la limite de Landauer: actuellement, un tel informatique produit environ quelques milliers de landauers en chaleur par opération logique, et il est difficile de voir comment même une puce de silicium suppléante du futur pourrait aller en dessous de 100 ans environ.Mais Ray et Crutchfield disent qu'il est possible de faire mieux en codant pour les informations dans les courants électriques d'une nouvelle manière: non pas comme des impulsions de charge mais dans l'élan des particules en mouvement.Ils disent que cela permettrait à l'informatique de faire de manière réversible sans avoir à sacrifier la vitesse.
Les deux chercheurs et leurs collègues ont présenté l'idée de base de l'informatique de momentum l'année dernière.Le concept clé est que l'élan d'une particule un peu codante peut fournir une sorte de mémoire «gratuitement» car elle transporte des informations sur le mouvement passé et futur de la particule, pas seulement son état instantané.«Auparavant, les informations étaient stockées sur la position:« Où est la particule? », Explique Crutchfield. For example, is a given electron in this channel or that one? “Momentum computing uses information in position and in velocity," he says.
Ces informations supplémentaires peuvent ensuite être exploitées pour l'informatique réversible.Pour que l'idée fonctionne, les opérations logiques doivent se produire beaucoup plus rapidement que le temps pris pour que le bit entre en équilibre thermique avec son environnement, ce qui randomisera le mouvement du bit et brouillera les informations. In other words, “momentum computing requires that the device runs at high speed," Crutchfield says.Pour que cela fonctionne, «vous devez calculer rapidement» - c'est-à-dire non adiabiquement.
The researchers considered how to use the idea to implement a logical operation called a bit swap, in which two bits simultaneously flip their value: 1 becomes 0, and vice versa.Ici, aucune information n'est rejetée;Il est juste reconfiguré, ce qui signifie qu'en théorie, il ne porte aucun coût d'effacement.
Pourtant, si les informations sont codées juste dans la position d'une particule, un peu échange - disons, basculer les particules entre un canal de gauche et une main droite - signifie que leurs identités sont brouillées et ne peuvent donc pas être distinguées de leur «avant» et «« avant »et« «After »States.Mais si les particules ont des moments opposés, ils restent distincts, donc l'opération crée un changement authentique et réversible.
Un appareil pratique
Ray et Crutchfield ont décrit comment cette idée pourrait être mise en œuvre dans un appareil pratique, en particulier, dans les bits quantiques de flux supraconducteur, ou qubits, qui sont les bits standard utilisés pour la plupart des ordinateurs quantiques d'aujourd'hui."Nous sommes des parasites sur la communauté informatique quantique!"Crutchfield admet joyeusement. These devices consist of loops of superconducting material interrupted by structures calledJosephson junctions (JJs), where a thin layer of a nonsuperconducting material is interposed between two superconductors.
The information inJJ circuits is usually encoded in the direction of their so-called supercurrent’s circulation, which can be switched using microwave radiation. But because supercurrents carry momentum, they can be used for momentum computing, too. Ray and Crutchfield performed simulations that suggest that, under certain conditions,JJ circuits should be able to support their momentum computing approach.S'il est refroidi à des températures d'hélium liquide, les circuits pourraient effectuer une seule opération de bit en moins de 15 nanosecondes.
«Alors que notre proposition est fondée sur un substrat spécifique pour être aussi concret que possible et estimer avec précision les énergies requises», a déclaré Crutchfield, «la proposition est beaucoup plus générale que cela.«Cela devrait fonctionner, en principe, avec des circuits électroniques normaux (mais refroidis cryogéniquement) ou même avec de minuscules dispositifs mécaniques soigneusement isolés qui peuvent prendre de l'élan (et donc effectuer un calcul) dans leurs parties en mouvement.Une approche avec des bits supraconductrices pourrait être particulièrement bien adaptée, dit Crutchfield, car «c'est une microtechnologie familière qui est connue pour très bien évoluer."
Crutchfield should know: Working with Michael Roukes and his collaborators at the California Institute of Technology, Crutchfield has previously measured the cost of erasing one bit in aJJ device and has shown that it is close to the Landauer limit. In the 1980s Crutchfield and Roukes even served as consultants for IBM’s attempt at building a reversibleJJ computer, which was eventually abandoned because of what were, at the time, overly demanding fabrication requirements.
Suivez la balle rebondissante
Exploiter la vitesse d'une particule pour l'informatique n'est pas une idée entièrement nouvelle.L'informatique de momentum est étroitement analogue à un concept compuminant réversible appelé calcul balistique qui a été proposé dans les années 1980: en elle, les informations sont codées dans des objets ou des particules qui se déplacent librement dans les circuits sous leur propre inertie, emportant avec eux un signal utilisé qui est utiliséà plusieurs reprises pour adopter de nombreuses opérations logiques.Si la particule interagit élastiquement avec les autres, elle ne perdra aucune énergie dans le processus. In such a device, once the ballistic bits have been “launched," they alone power the computation without any other energy input.Le calcul est réversible tant que les bits continuent de rebondir le long de leurs trajectoires.L'information n'est effacée que et l'énergie n'est dissipée que lorsque leurs États sont lus.
Alors que, dans le calcul balistique, la vitesse d'une particule la transporte simplement à travers l'appareil, permettant à la particule de transporter des informations de l'entrée à la sortie, Crutchfield dit, en calcul de momentum, la vitesse et la position d'une particule lui permettent collectivement d'incarner une séquence unique et non ambiguétats pendant un calcul.Cette dernière circonstance est la clé de la réversibilité et donc une faible dissipation, ajoute-t-il, car elle peut révéler exactement où chaque particule a été.
Researchers, including Frank, have worked on ballistic reversible computing for decades. One challenge is that, in its initial proposal, ballistic computing is dynamically unstable because, for example, particle collisions may be chaotic and therefore highly sensitive to the tiniest random fluctuations: they cannot then be reversed.Mais les chercheurs ont progressé dans la création des problèmes. In a recent preprint paper, Kevin Osborn and Waltraut Wustmann, both at the University of Maryland, proposed thatJJ circuits might be used to make a reversible ballistic logical circuit called a shift register, in which the output of one logic gate becomes the input of the next in a series of “flip-flop" operations.
“Superconducting circuits are a good platform for testing reversible circuits," Osborn says. HisJJ circuits, he adds, seem to be very close to those stipulated by Ray and Crutchfield and might therefore be the best candidate for testing their idea.
“I would say that all of our groups have been working from an intuition that these methods can achieve a better trade-off between efficiency and speed than traditional approaches to reversible computing," Frank says.Ray et Crutchfield «ont probablement fait le travail le plus complet jusqu'à présent pour le démontrer au niveau de la théorie et de la simulation des appareils individuels." Even so, Frank warns that all the various approaches for ballistic and momentum computing “are still a long way from becoming a practical technology."
Crutchfield est plus optimiste. “It really depends on getting folks to support ramping up," he says. He thinks small, low-dissipation momentum-computingJJ circuits could be feasible in a couple of years, with full microprocessors debuting within this decade.En fin de compte, il prévoit que l'informatique de momentum de qualité consommatrice pourrait réaliser des gains d'efficacité énergétique de 1 000 fois ou plus sur les approches actuelles. “Imagine [if] your Google server farm housed in a giant warehouse and using 1,000 kilowatts for computing and cooling [was instead] reduced to only one kilowatt—equivalent to several incandescent light bulbs," Crutchfield says.
Mais les avantages de la nouvelle approche, selon Crutchfield, pourrait être plus large qu'une réduction pratique des coûts énergétiques. “Momentum computing will lead to a conceptual shift in how we see information processing in the world," he says—including how information is processed in biological systems.
