Slimme timing dringt warmteproductie van computers terug

29 januari 2019, 16:03
(Afbeelding: Universiteit Twente)
(Afbeelding: Universiteit Twente)
Computersystemen produceren veel warmte. Datacenters staan daarom vol ventilatoren, en ook een smartphone kan behoorlijk warm worden. Het terugdringen van het energieverbruik is dan ook een van de grote uitdagingen in de informatietechnologie. Dat streven heeft echter een theoretische ondergrens die al in de jaren ’60 van de vorige eeuw is geformuleerd door Rolf Landauer (1927-1999, destijds wetenschappelijk medewerker van IBM). Deze ondergrens hangt af van de temperatuur. Onderzoeker Jan Klaers van het MESA+ Instituut van de Universiteit Twente heeft nu echter aangetoond dat wanneer men de timing van computeracties en temperatuur op een slimme manier synchroniseert, men ónder de limiet van Landauer kan duiken. De nieuwe theorie, gepresenteerd in de Physical Review Letters, kan elektronica opleveren die meer energie-efficiënt is.

Thermodynamica

Lang vóór de grootschalige introductie van computersystemen, in 1961, publiceerde Landauer zijn beroemde artikel over de minimumenergie die nodig is om een bit te wissen, dus om te zetten van ‘1’ naar ‘0’. Deze minimumenergie hangt volgens ‘Landauers erasure principle’ af van de temperatuur; dit erasure principle koppelt de wetten van de thermodynamica aan de informatietheorie. In 2012 is deze theorie experimenteel bevestigd (zoals beschreven in Nature).

Ondergrens

Voor de huidige generatie computers komt die ondergrens nog niet in zicht, die gebruiken nog het duizendvoudige van de ondergrens. Maar in de komende decennia kan dat snel veranderen. Bereiken computers dan een fundamentele ondergrens? Jan Klaers heeft aangetoond dat het energieverbruik kan worden teruggedrongen door computeracties en temperatuur op een slimme manier te synchroniseren. Dan is voor het wissen van een bit minder energie nodig – zelfs minder dan de Landauer-limiet.

Temperatuurdal

Als men kijkt naar de vele logische operaties die plaatsvinden in een computer, dan ziet men een complex temperatuurprofiel. Dat is niet zo vreemd, want de temperatuurverandering die door één operatie plaatsvindt, wordt ook gevoeld in de logische ‘gates’ eromheen. Ondanks de complexiteit is één ding wel duidelijk: temperatuur en energieverbruik hebben hetzelfde ‘ritme’ als de klok van de processor. Men spreekt in dat verband van ‘squeezed’ thermische toestanden. Zo kan het gebeuren dat eenzelfde actie minder energie verbruikt: een kwvanestie van timing. Ga daarvoor steeds precies op de bodem van de temperatuurgrafiek zitten, dan kan men het systeem hetzelfde laten doen op lagere temperatuur en kost het zelfs minder energie dan Landauer voorspelde.

Minimalistisch model

Hiervoor heeft Klaers een minimalistisch mechanisch model onderzocht dat een 1-bit geheugen voorstelt. Het experiment lijkt sterk op het experiment dat Landauer zelf uitvoerde om zijn principe aan te tonen. Dit is de fundamentele basis, aldus Klaers; verder onderzoek moet uitwijzen hoe men de temperatuur in de praktijk kan synchroniseren en welke energiewinst behaald kan worden.

Bron: Universiteit Twente
 
Reacties worden ingeladen...
gerelateerde items