В мире огромное количество электроэнергии потребляют компьютеры. Только в США 5% от используемого электричества идет именно на нужды машин, утверждают ученые из института Санта-Фе. При этом не учитываются вторичные расходы: например, на охлаждение компьютеров. 

Но сделать компьютеры более энергоэффективными можно: для этого команда ученых решила углубиться в термодинамику вычислений. 

Энергопотребление на примере биологических систем

Проблема избыточного потребления энергии возникает не только у искусственных цифровых компьютеров. Существует множество естественных систем, сходных по этому параметру с машинами. Примером тому может служить мозг человека. Он использует 10-20% калорий, потребляемых человеком. Потребность в большем количестве пищи является платой за развитие абстрактного мышления.

Клеточные системы также можно рассматривать с точки зрения вычислительных технологий. Но их термодинамические затраты оказываются эффективнее, чем у самых современных компьютеров: энергетический бюджет расходуется при переводе РНК в последовательность белков. Процесс синтеза обеспечивает жизнедеятельность организма, а эффективность этих биологических вычислений оказывается на много порядков выше, чем у компьютеров. 

Какие законы физики регулируют связь между точным вычислением системы и количеством энергии, в которой она нуждается? Можно ли сделать компьютеры более эффективными, по-новому взглянув на реализацию их алгоритмов?

Неравновесные термодинамические системы

На эти вопросы пытаются ответить ученые из исследовательского проекта по изучению термодинамики вычислений института Санта-Фе. Но они оказались не первыми, кого взволновала эта проблема. Полтора века исследователи из различных областей науки обращались к проблемам энергоэффективности вычислительных систем, используя лишь формальную логику и анализ «от противного», так как математика в то время не была достаточно зрелой. Это привело ко многим открытиям, в том числе работам Рольфа Ландауэра и Чарльза Беннета.

Однако они были ограничены тем, что пытались применить равновесную статистическую физику для анализа термодинамики компьютеров. Но компьютеры – неравновесные системы, то есть, их состояние никогда не остается неизменным.

За последние десятилетия произошли крупные прорывы в области неравновесной статистической физики, которые позволили анализировать процессы изменения тепла, энергии и информации в неравновесных системах.

Термодинамика вычислительных процессов

Научные открытия позволили вычислить отличную от нуля вероятность того, что определенная система нарушит второй закон термодинамики, уменьшив его энтропию за определенный промежуток времени. 

Энтропия – мера необратимого рассеивания энергии, мера отклонения реального процесса от идеального.

Второй закон термодинамики гласит, что для вселенной в целом энтропия возрастает. Определение второго закона термодинамики опирается на первый закон термодинамики, утверждающий, что энергия убывает. Теперь у исследователей есть инструменты для работы, чтобы пересмотреть всю тему термодинамики вычислений. Это уже сделано для проблемы стирания битов информации, темы, которая так интересовала Ландауэра.

Принцип Ландауэра – предположение, что существует ограничение на минимальные энергетические затраты, необходимые для выполнения вычислений. Его высказал в 1961 году сотрудник IBM Рольф Ландауэр.

Однако компьютерная наука простирается далеко за пределы проблемы бит-стираний в этом вычислении. Благодаря прорывам неравновесной статистической физики ученые могут исследовать вычислительные системы с термодинамической точки зрения. Переходя от отдельных бит к более сложным схемам, исследователи проанализировали термодинамические затраты «линейных электрических цепей». Этот анализ привел к новым решениям в теории информации.

Информатику можно определить как науку о компромиссах между ресурсами памяти и количеством времени для выполнения вычисления. В свете вышесказанного кажется, что при проведении вычислений может быть гораздо больше термодинамических компромиссов. Такие компромиссы будут применяться как на искусственных, так и на биологических компьютерах.

Но для развития этой «термодинамики вычислений» как науки придется проделать еще огромное количество работы.