Un futur ordinateur pourrait réduire la production de chaleur en synchronisant la tâche avec les oscillations de température

• Une nouvelle méthode pourrait permettre aux processeurs modernes d'effectuer des calculs en utilisant 1 000 fois moins d'énergie que la limite de Landauer (0,0172 électronvolt).
• Il fonctionne en synchronisant les opérations avec les oscillations de température du processeur.

En électronique numérique, la dissipation d'énergie est aujourd'hui l'une des principales considérations de conception. À mesure que les unités de traitement continuent de rétrécir, la tension requise par calcul diminue. Tôt ou tard, les transistors atteindront une limite théorique pour la tension minimale requise pour effectuer une seule tâche.

Récemment, un professeur, Jan Klaers, de l'Université de Twente, aux Pays-Bas, a proposé des « états thermiques comprimés » qui peuvent être utilisés pour contourner cette limite théorique. Ces états obligent l'unité de traitement à fonctionner efficacement à des températures plus basses tout en consommant moins d'énergie.

La technologie informatique existante peut tirer parti de ces états qui se produisent naturellement dans l'environnement thermique d'un processeur. Et à l'avenir, les États comprimés pourraient être exploités pour développer des appareils électroniques plus économes en énergie.

Quantité d'énergie requise pour effacer un bit

En 1961, un physicien germano-américain, Rolf Landauer, a développé un modèle thermodynamique numérique de bits tout en travaillant pour IBM. Selon ce modèle, toute opération logiquement irréversible qui modifie les données, comme la réinitialisation ou l'effacement d'un peu de mémoire, augmente l'entropie et une quantité correspondante d'énergie est dissipée sous forme de chaleur.

Il a calculé l'énergie la plus faible possible qui serait nécessaire pour effacer ou réinitialiser un peu (de l'état 1 à l'état 0), et il s'est avéré être  0,7*k(B)*T , où k(B) est la constante de Boltzmann et T est la température ambiante.

Ce principe est également pertinent pour l'information quantique, l'informatique quantique et l'informatique réversible. En 2012, des chercheurs ont réalisé des expériences pour confirmer ce principe.

Cependant, le principe ne fonctionne que si le système est en équilibre thermique. Jan Klaers a maintenant construit une nouvelle approche dans laquelle le foret reste en équilibre et le « bain de chaleur » (environnement environnant) est déséquilibré en pressant thermiquement le bain.

Référence :Phys. Rév. Lett. | doi:10.1103/PhysRevLett.122.040602 | Physique APS

Le terme « compression » fait référence aux fluctuations (associées au bruit) qui sont inégalement dispersées dans les différentes dimensions du système. Le bain oscille entre 2 températures en phase pressée :une en dessous et une au-dessus de la température moyenne. Cela signifie que le bain peut être froid ou chaud à un moment donné.

Un réseau de bits connectés dans un circuit informatique | Effectuer des opérations sur ces bits nécessite de l'énergie qui finit par se dissiper sous forme de chaleur (rouge) | Crédit : J. Klaers/Université de Twente

Afin d'effacer/remettre à zéro le bit en utilisant le moins d'énergie possible, il est nécessaire d'effectuer les opérations lorsque le bain est à l'état froid. Ainsi, on pourrait synchroniser les opérations avec des oscillations de température pour réduire le coût de l'énergie de remise à zéro du trépan. En fait, Klaers a découvert qu'il n'y a pas de limite inférieure sur le coût de l'énergie :plus vous serrez le bain, plus le coût de l'énergie est bas.

Peut-on appliquer cette technique sur des ordinateurs existants ?

Selon le chercheur, cette méthode pourrait être utilisée pour les bits informatiques d'aujourd'hui, et elle a le potentiel de fournir 1 000 fois plus d'économies d'énergie que la limite de Landauer.

Il y a un grand avantage à utiliser cette technique dans la technologie informatique moderne :l'environnement thermique comprimé est gratuit. Les processeurs modernes effectuent des calculs en effaçant ou en commutant des millions de bits, et chaque opération libère une certaine quantité de chaleur.

Étant donné que l'émission de chaleur se produit à la fréquence déterminée par l'horloge du processeur, la température du bain oscille. Bien que ces oscillations aient des motifs complexes, le comportement est une forme de compression.

Lire :Une nouvelle méthode pour améliorer les performances des ordinateurs quantiques

Les ingénieurs pourraient configurer cette compression de manière à ce que les bits soient toujours traités lorsqu'ils sont à l'état froid. De cette façon, les calculs entraînés par les oscillations thermiques consommeraient moins d'énergie, mais exactement combien de moins doit encore être examiné.