Une technique révolutionnaire de CPU réduit la production de chaleur en synchronisant les tâches avec les oscillations de température

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

Des états thermiques « comprimés » pour contourner la limite de Landauer

Récemment, le professeur Jan Klaers de l'Université de Twente aux Pays-Bas a proposé des « états thermiques comprimés » qui permettent de contourner cette limite théorique. Ces états forcent 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. À l'avenir, les états comprimés pourraient être exploités pour développer des dispositifs électroniques plus économes en énergie.

L'énergie nécessaire pour effacer un bit

En 1961, le physicien germano-américain Rolf Landauer a développé un modèle thermodynamique du bit numérique alors qu'il travaillait pour IBM. Selon ce modèle, toute opération logiquement irréversible qui modifie des données, comme la réinitialisation ou l'effacement d'un bit 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 nécessaire pour effacer ou réinitialiser un bit (de l'état 1 à l'état 0), qui s'est avérée être 0,7 × k(B) × T, où k(B) est la constante de Boltzmann et T 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 bit reste en équilibre tandis que le « bain thermique » (environnement environnant) est mis hors d'équilibre en comprimant thermiquement le bain.

Référence : Phys. Rev. Lett. | doi:10.1103/PhysRevLett.122.040602 | APS Physics

Le concept de « compression » thermique

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

Un réseau de bits connectés dans un circuit informatique | Les opérations sur ces bits nécessitent de l'énergie qui se dissipe finalement sous forme de chaleur (rouge) | Crédit : J. Klaers/Université de Twente

Pour effacer/réinitialiser le bit en utilisant l'énergie minimale possible, il est nécessaire d'effectuer les opérations lorsque le bain est dans son état froid. Ainsi, on pourrait synchroniser les opérations avec les oscillations de température pour réduire le coût énergétique de la réinitialisation du bit. En fait, Klaers a découvert qu'il n'y a pas de limite inférieure au coût énergétique : plus vous comprimez le bain, plus le coût énergétique est faible.

Cette technique peut-elle être appliquée aux ordinateurs existants ?

Selon le chercheur, cette méthode pourrait être utilisée pour les bits des ordinateurs d'aujourd'hui et 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 : les environnements thermiques comprimés viennent « gratuitement ». Les processeurs modernes effectuent des calculs en effaçant ou en commutant des millions de bits, et chaque opération libère une certaine quantité de chaleur.

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

Les ingénieurs pourraient configurer cette compression de manière à ce que les bits soient toujours traités lorsqu'ils sont dans un état froid. De cette façon, les calculs pilotés par les oscillations thermiques consommeraient moins d'énergie, mais il reste à examiner exactement combien de moins.