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"Computación de impulso" empuja los límites termodinámicos de la tecnología

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En caso de que no lo hayas notado, las computadoras están calientes, literalmente.Una computadora portátil puede bombear el calor de la cocción del muslo, mientras que los centros de datos consumen aproximadamente 200 terawatt-horas cada año, comparables al consumo de energía de algunos países de tamaño mediano.La huella de carbono de las tecnologías de información y comunicación en su conjunto está cerca de la del uso de combustible en la industria de la aviación.Y a medida que los circuitos de computadora se vuelven cada vez más pequeños y más densamente empaquetados, se vuelve más propenso a derretirse de la energía que se disipa como calor.

Ahora el físicoJames Crutchfield de la Universidad de California, Davis, y su estudiante graduado Kyle Ray han propuesto una nueva forma de llevar a cabo un cálculo que disiparía solo una pequeña fracción del calor producido por los circuitos convencionales.De hecho, su enfoque, descrito en un documento de preimpresión reciente, podría traer disipación de calor por debajo incluso el mínimo teórico que las leyes de la física imponen a las computadoras de hoy..Que podría reducir en gran medida la energía necesaria para realizar cálculos y mantener los circuitos frescos.Y todo podría hacerse, dicen los investigadores, utilizando dispositivos microelectrónicos que ya existen.

En 1961, el físico Rolf Landauer de ThomasJ de IBMETRO.Watson Research Center en Yorktown Heights, N.Y., mostró que la computación convencional incurre en un costo inevitable en la disipación de energía, básicamente, en la generación de calor y entropía.Esto se debe a que una computadora convencional tiene que borrar a veces bits de información en sus circuitos de memoria para hacer espacio para más.Cada vez que se restablece un solo bit (con el valor 1 o 0), se disipa una cierta cantidad mínima de energía, que Ray y Crutchfield han bautizado "el Landauer." Its value depends on ambient temperature: in your living room, one Landauer would be around 10–21 joule.(En comparación, una vela encendida emite el orden de 10 julios de energía 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.Un cálculo realizado de esa manera es totalmente reversible porque tirar sin información significa que cada paso se puede volver sobre.Puede parecer que este proceso llenaría rápidamente la memoria de una computadora..Pero en la década de 1970 Charles Bennett, también en T.J.Watson, demostró que, en lugar de descartar información al final del cálculo, uno podría establecerla en "descomparar" los resultados intermedios que ya no se necesitan al invertir sus pasos lógicos y devolver la computadora a su estado original.

El problema es que, para evitar transferir cualquier calor, es decir, para ser lo que los físicos llaman un proceso adiabático, la serie de operaciones lógicas en el cálculo generalmente debe llevarse a cabo infinitamente lentamente.En cierto sentido, este enfoque evita cualquier "calentamiento por fricción" en el proceso, pero a costa de tardar infinitamente en completar el cálculo.

Apenas parece una solución práctica, entonces."La sabiduría convencional durante mucho tiempo ha sido que la disipación de energía en la informática reversible es proporcional a la velocidad", dice el científico informático METROichael Frank de Sandia National Laboratories en Albuquerque, N.METRO.

Al límite y más allá

La computación basada en silicio no se acerca al límite de Landauer de todos modos: actualmente, dicha computación produce alrededor de unos pocos miles de Landauers en calor por operación lógica, y es difícil ver cómo incluso un chip de silicio de futuro súper eficiente podría obtener menos de 100 más o menos 100.Pero Ray y Crutchfield dicen que es posible hacerlo mejor codificando información en corrientes eléctricas de una manera nueva: no como pulsos de carga sino en el impulso de las partículas en movimiento.Dicen que esto permitiría que la informática se realice de manera reversible sin tener que sacrificar la velocidad.

Los dos investigadores y sus compañeros de trabajo introdujeron la idea básica de la computación de impulso el año pasado.El concepto clave es que el impulso de una partícula que codifica bits puede proporcionar una especie de memoria "gratis" porque lleva información sobre el movimiento pasado y futuro de la partícula, no solo su estado instantáneo."Anteriormente, la información se almacenaba posicionalmente:" ¿Dónde está la partícula? ", Dice Crutchfield. For example, is a given electron in this channel or that one? “METROomentum computing uses information in position and in velocity," he says.

Esta información adicional se puede aprovechar para la computación reversible.Para que la idea funcione, las operaciones lógicas deben ocurrir mucho más rápido que el tiempo que se le tomó el bit en el equilibrio térmico con sus alrededores, lo que aleatorizará el movimiento de la broca y revolcará la información. In other words, “momentum computing requires that the device runs at high speed," Crutchfield says.Para que funcione, "debe calcular rápido", es decir, no adiabáticamente.

‘METROomentum Computing’ Pushes Technology’s Thermodynamic Limits

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.Aquí no se descarta información;se reconfigura, lo que significa que, en teoría, no tiene costo de borrado.

Sin embargo, si la información está codificada solo en la posición de una partícula, un bit intercambio, por ejemplo, cambiando partículas entre un canal de la izquierda y la derecha, significa que sus identidades se vuelven revueltas y, por lo tanto, no pueden distinguirse de su "antes" y "después de "estados.Pero si las partículas tienen momentos opuestos, se mantienen distintos, por lo que la operación crea un cambio genuino y reversible.

Un dispositivo práctico

Ray y Crutchfield han descrito cómo esta idea podría implementarse en un dispositivo práctico, específicamente, en los bits cuánticos de flujo superconductor o los qubits, que son los bits estándar utilizados para la mayoría de las computadoras cuánticas de hoy en día."¡Estamos siendo parásitos en la comunidad de computación cuántica!"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.Si se enfrían a temperaturas de líquido líquido, los circuitos podrían llevar a cabo una operación de intercambio de bits en menos de 15 nanosegundos.

"Si bien nuestra propuesta se basa en un sustrato específico para ser lo más concreto posible y estimar con precisión las energías requeridas", dice Crutchfield, "la propuesta es mucho más general que eso."Debería funcionar, en principio, con circuitos electrónicos normales (aunque criogénicamente enfriados) o incluso con dispositivos mecánicos pequeños y cuidadosamente aislados que pueden llevar impulso (y así realizar el cálculo) en sus partes móviles.Sin embargo, un enfoque con bits superconductores podría ser particularmente adecuado, dice Crutchfield, porque "es una microtecnología familiar que se sabe que aumenta muy bien."

Crutchfield should know: Working with METROichael 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 IBMETRO’s attempt at building a reversibleJJ computer, which was eventually abandoned because of what were, at the time, overly demanding fabrication requirements.

Sigue la pelota de rebotes

Aprovechar la velocidad de una partícula para la computación no es una idea completamente nueva. METROomentum computing is closely analogous to a reversible-computing concept called ballistic computing that was proposed in the 1980s: in it, information is encoded in objects or particles that move freely through the circuits under their own inertia, carrying with them some signal that is used repeatedly to enact many logical operations.Si la partícula interactúa elásticamente con otros, no perderá ninguna energía en el proceso. In such a device, once the ballistic bits have been “launched," they alone power the computation without any other energy input.El cálculo es reversible siempre que los bits continúen rebotando a lo largo de sus trayectorias.La información solo se borra, y la energía solo se disipa, cuando se leen sus estados.

Mientras que, en la computación balística, la velocidad de una partícula simplemente la transporta a través del dispositivo, lo que permite que la partícula transporte información de entrada a salida, dice Crutchfield, en la computación de momento, la velocidad y la posición de una partícula colectivamente incorporar una secuencia única y inequívoca deEstados durante un cálculo.Esta última circunstancia es la clave para la reversibilidad y, por lo tanto, la baja disipación, agrega, porque puede revelar exactamente dónde ha estado cada partícula.

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.Pero los investigadores han avanzado en el descenso de los problemas. In a recent preprint paper, Kevin Osborn and Waltraut Wustmann, both at the University of METROaryland, 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 y Crutchfield "probablemente han hecho el trabajo más completo hasta ahora en demostrar esto a nivel de la teoría y simulación de dispositivos individuales." 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 es más optimista. “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 última instancia, anticipa que la computación de impulso de grado consumidor podría realizar ganancias de eficiencia energética de 1,000 veces o más sobre los enfoques actuales. “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.

Pero los beneficios del nuevo enfoque, dice Crutchfield, podrían ser más amplios que una reducción práctica en los costos de energía. “METROomentum 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.