Caso você não tenha notado, os computadores são quentes - literalmente.Um laptop pode bombear o calor da coxa, enquanto os data centers consomem cerca de 200 terawatt-horas a cada ano-comparáveis ao consumo de energia de alguns países de médio porte.A pegada de carbono das tecnologias de informação e comunicação como um todo está próxima da do uso de combustível na indústria da aviação.E à medida que os circuitos de computador ficam cada vez menores e mais densamente embalados, fica mais propenso a derreter da energia que se dissipa como calor.
Agora, o físicoJames Crutchfield, da Universidade da Califórnia, Davis, e seu estudante de graduação Kyle Ray propuseram uma nova maneira de realizar o cálculo que dissiparia apenas uma pequena fração do calor produzido por circuitos convencionais.De fato, sua abordagem, descrita em um artigo recente de pré -impressão, poderia trazer a dissipação de calor abaixo do mínimo teórico que as leis da física impõem aos computadores de hoje.Isso pode reduzir bastante a energia necessária para executar cálculos e manter os circuitos frios.E tudo pode ser feito, dizem os pesquisadores, usando dispositivos microeletrônicos que já existem.
Em 1961, o físico Rolf Landauer, de ThomasJ, da IBM,.Watson Research Center em Yorktown Heights, n.Y., mostrou que a computação convencional incorre em um custo inevitável na dissipação de energia - basicamente, na geração de calor e entropia.Isso ocorre porque um computador convencional às vezes precisa apagar pedaços de informação em seus circuitos de memória para ganhar espaço para mais.Cada vez que um único bit (com o valor 1 ou 0) é redefinido, uma certa quantidade mínima de energia é dissipada - o que Ray e Crutchfield batizaram “o Landauer.” Its value depends on ambient temperature: in your living room, one Landauer would be around 10–21 joule.(Para comparação, uma vela iluminada emite na ordem de 10 joules de energia por segundo.)
Computer scientists have long recognized that Landauer’s limit on how little heat a computation produces can be undercut by not erasing any information.Um cálculo feito dessa maneira é totalmente reversível porque não jogar nenhuma informação significa que cada etapa pode ser refazer.Pode parecer que esse processo preencheria rapidamente a memória de um computador.Mas na década de 1970 Charles Bennett, também em T.J.Watson mostrou que, em vez de descartar informações no final do cálculo, pode -se configurá -las para "descomputar" os resultados intermediários que não são mais necessários ao reverter suas etapas lógicas e retornar o computador ao seu estado original.
O problema é que, para evitar transferir qualquer calor - ou seja, é o que os físicos chamam de processo adiabático - a série de operações lógicas no cálculo geralmente deve ser realizada infinitamente lentamente.Em certo sentido, essa abordagem evita qualquer "aquecimento por atrito" no processo, mas com o custo de demorar infinitamente para completar o cálculo.
Dificilmente parece uma solução prática, então."A sabedoria convencional por um longo tempo é que a dissipação de energia na computação reversível é proporcional à velocidade", diz o cientista da computação Michael Frank, da Sandia National Laboratories em Albuquerque, n.M.
Até o limite - e além
A computação baseada em silício não se aproxima do limite de Landauer: atualmente, essa computação produz cerca de alguns milhares de landauers em calor por operação lógica, e é difícil ver como até algum chip de silício supereficiente do futuro pode ficar abaixo de 100 ou mais.Mas Ray e Crutchfield dizem que é possível fazer melhor codificar informações em correntes elétricas de uma nova maneira: não como pulsos de carga, mas no momento das partículas em movimento.Eles dizem que isso permitiria que a computação fosse feita reversivelmente sem ter que sacrificar a velocidade.
Os dois pesquisadores e seus colegas de trabalho introduziram a idéia básica de computação de momento no ano passado.O conceito-chave é que um momento de codificação de bits pode fornecer um tipo de memória "de graça" porque carrega informações sobre o movimento passado e futuro da partícula, não apenas seu estado instantâneo."Anteriormente, a informação era armazenada posicionalmente: 'Onde está a partícula?'", Diz Crutchfield. For example, is a given electron in this channel or that one? “Momentum computing uses information in position and in velocity,” he says.
Esta informação extra pode ser aproveitada para computação reversível.Para que a ideia funcione, as operações lógicas devem acontecer muito mais rápido do que o tempo necessário para que a broca entre em equilíbrio térmico com o ambiente, o que randomizará o movimento da bit e embaralham as informações. In other words, “momentum computing requires that the device runs at high speed,” Crutchfield says.Para funcionar, "você deve calcular rápido" - isto é, não adiabaticamente.
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.Aqui nenhuma informação é descartada;é apenas reconfigurado, o que significa que, em teoria, não carrega nenhum custo de apagamento.
No entanto, se a informação é codificada apenas na posição de uma partícula, um pouco de troca-digamos, trocando de partículas entre um canal esquerdo e a direita-significa que suas identidades são embaralhadas e, portanto, não podem ser distinguidas de seus "antes" e "depois ”afirma.Mas se as partículas têm momentos opostos, elas permanecem distintas, então a operação cria uma mudança genuína e reversível.
Um dispositivo prático
Ray e Crutchfield descreveram como essa idéia pode ser implementada em um dispositivo prático - especificamente, em bits quânticos de fluxo supercondutor, ou qubits, que são os bits padrão usados para a maioria dos computadores quânticos de hoje."Estamos sendo parasitas na comunidade de computação quântica!"Crutchfield admite alegremente. 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.Se resfriado para temperaturas de líquido-hélio, o circuito poderá realizar uma única operação de troca de bits em menos de 15 nanossegundos.
“Embora nossa proposta esteja fundamentada em um substrato específico para ser o mais concreto possível e estimar com precisão as energias necessárias”, diz Crutchfield, “a proposta é muito mais geral do que a.“Ele deve funcionar, em princípio, com circuitos eletrônicos normais (embora resfriados criogenicamente) ou mesmo com dispositivos mecânicos minúsculos e cuidadosamente isolados que podem ter impulso (e, assim, executar a computação) em suas partes móveis.Uma abordagem com bits supercondutores pode ser particularmente adequada, porém, diz Crutchfield, porque "é a microtecnologia familiar que é conhecida por escalar muito bem.”
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.
Siga a bola saltitante
Aproveitar a velocidade de uma partícula para a computação não é uma ideia totalmente nova.A computação de momento é intimamente análoga a um conceito de computação reversível chamada computação balística proposta na década de 1980: nele, as informações são codificadas em objetos ou partículas que se movem livremente através dos circuitos sob sua própria inércia, carregando com eles algum sinal que é usadorepetidamente para promulgar muitas operações lógicas.Se a partícula interage elasticamente com os outros, não perderá energia no processo.Nesse dispositivo, uma vez que os bits balísticos foram "lançados", eles sozinhos alimentam o cálculo sem qualquer outra entrada de energia.O cálculo é reversível, desde que os bits continuem pulando ao longo de suas trajetórias.As informações são apagadas apenas e a energia é dissipada apenas quando seus estados são lidos.
Enquanto, na computação balística, a velocidade de uma partícula simplesmente o transporta através do dispositivo, permitindo que a partícula transferisse informações da entrada para a saída, diz Crutchfield, em computação de momento, a velocidade e a posição de uma partícula permitem que ela incorpore uma sequência única e inequívoca deestados durante um cálculo.Esta última circunstância é a chave para a reversibilidade e, portanto, baixa dissipação, acrescenta, porque pode revelar exatamente onde cada partícula foi.
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.Mas os pesquisadores fizeram progressos para quebrar os problemas. 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.
"Os circuitos supercondutores são uma boa plataforma para testar circuitos reversíveis", diz Osborn diz. 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.
"Eu diria que todos os nossos grupos têm trabalhado a partir de uma intuição de que esses métodos possam obter uma melhor troca entre eficiência e velocidade do que as abordagens tradicionais para a computação reversível", diz Frank diz.Ray e Crutchfield “provavelmente fizeram o trabalho mais completo até agora demonstrando isso no nível da teoria e simulação de dispositivos individuais.Mesmo assim, Frank adverte que todas as várias abordagens para a computação balística e de momento “ainda estão muito longe de se tornar uma tecnologia prática.”
Crutchfield é mais otimista."Realmente depende de fazer com que as pessoas apoiassem a aumentar", diz ele. He thinks small, low-dissipation momentum-computingJJ circuits could be feasible in a couple of years, with full microprocessors debuting within this decade.Por fim, ele antecipa a computação de momento de grau de consumo pode obter ganhos de eficiência energética de 1.000 vezes ou mais abordagens atuais.“Imagine [se] o seu fazendeiro do Google Server alojado em um armazém gigante e usando 1.000 quilowatts para computação e resfriamento [em vez disso] foi reduzido para apenas um quilowatt - equivalente a várias lâmpadas incandescentes”, diz Crutchfield.
Mas os benefícios da nova abordagem, diz Crutchfield, podem ser mais amplos do que uma redução prática nos custos de energia."A computação de momento levará a uma mudança conceitual na maneira como vemos o processamento de informações no mundo", diz ele - incluindo como as informações são processadas em sistemas biológicos.
