Zie Nieuws

Slimme timing kan warmteproductie computers terugdringen Zelfs ónder de 'limiet van Landauer'

Computersystemen produceren erg veel warmte. Datacenters staan vol ventilatoren, ook onze smartphone kan flink opwarmen. Het energieverbruik terugdringen is daarmee een van de grote uitdagingen in informatietechnologie. Maar dat streven heeft een theoretische ondergrens die al geformuleerd is door Rolf Landauer in de jaren 60 van de vorige eeuw. Deze ondergrens hangt af van de temperatuur. Jan Klaers, van het MESA+ Instituut van de UT, laat nu zien dat als je de timing van computeracties en temperatuur op een slimme manier synchroniseert, je ónder de limiet van Landauer kunt duiken. De nieuwe theorie, gepresenteerd in Physical Review Letters, kan elektronica opleveren die meer energie-efficiënt is.

Lang vóór de grootschalige introductie van computersystemen, in 1961, publiceerde IBM wetenschapper Rolf Landauer (1927-1999) zijn beroemde artikel over de minimum energie die nodig is om een bit te wissen, dus om te zetten van ‘1’ naar ‘0’. Deze minimum energie, volgens ‘Landauers erasure principle’ hangt af van de temperatuur, en koppelt de wetten van de thermodynamica aan de informatietheorie. Vele jaren later, in 2012, bevestigden experimenten, gepubliceerd in Nature, de theorie nog eens.


Information is physicalRolf Landauer

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? In zijn nieuwe paper laat Jan Klaers zien dat het energieverbruik is terug te dringen door de 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 benutten

Als we kijken naar de vele logische operaties die plaatsvinden in een computer, geeft dit een complex temperatuurprofiel te zien. Dat is niet vreemd, want de temperatuurverandering die door één operatie plaatsvindt, wordt ook gevoeld in de logische ‘gates’ eromheen. Ondanks de complexiteit, is een ding wel duidelijk: temperatuur en energieverbruik hebben hetzelfde ‘ritme’ als de klok van de processor. Ze heten ‘squeezed’ thermische toestanden. Zo kan het gebeuren dat je voor een en dezelfde actie minder energie verbruikt. Een kwestie van timing, aldus Klaers: ga steeds precies op de bodem van de temperatuurgrafiek zitten, dan kun je het systeem hetzelfde laten doen op lagere temperatuur en kost het zelfs minder energie dan Landauer voorspelde.

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 je de temperatuur in de praktijk synchroniseert en welke energiewinst is te boeken.

Dr. Jan Klaers is onderzoeker in de groep Complex Photonic Systems, onderdeel van het MESA+ Instituut van de UT. Binnen die groep is hij een eigen onderzoeks-lijn aan het opzetten voor ‘Experimental Quantum Thermodynamics’.

Het paper ‘Landauer’s erasure principle in a squeezed thermal memory’, door Jan Klaers, is gepubliceerd in Physical Review Letters  op 28 januari 2019. Het artikel is uitgelicht in een artikel op 'Physics' van de American Physical Society.

ir. W.R. van der Veen (Wiebe)
Persvoorlichter (aanwezig ma-vr)