‘Komputasi Momentum’ Mendorong Batas Termodinamika Teknologi – Jika Anda tidak menyadarinya, komputer itu panas—secara harfiah. Laptop dapat mengeluarkan panas yang membakar paha, sementara pusat data mengkonsumsi sekitar 200 terawatt-jam setiap tahun—sebanding dengan konsumsi energi di beberapa negara berukuran sedang.
‘Komputasi Momentum’ Mendorong Batas Termodinamika Teknologi
pigsgourdsandwikis – Jejak karbon teknologi informasi dan komunikasi secara keseluruhan hampir sama dengan penggunaan bahan bakar di industri penerbangan. Dan karena sirkuit komputer semakin kecil dan semakin padat, ia menjadi lebih rentan meleleh dari energi yang hilang sebagai panas.
Baca Juga : 3 Saham Layanan Teknologi Informasi yang Akan Dibeli di Bulan Maret
Sekarang fisikawan James Crutchfield dari University of California, Davis, dan mahasiswa pascasarjananya Kyle Ray telah mengusulkan cara baru untuk melakukan perhitungan yang akan menghilangkan hanya sebagian kecil dari panas yang dihasilkan oleh sirkuit konvensional. Faktanya, pendekatan mereka, yang dijelaskan dalam makalah pracetak baru-baru ini, dapat membawa pembuangan panas di bawah bahkan minimum teoretis yang diterapkan oleh hukum fisika pada komputer saat ini. Itu bisa sangat mengurangi energi yang dibutuhkan untuk melakukan perhitungan dan menjaga sirkuit tetap dingin. Dan itu semua bisa dilakukan, kata para peneliti, dengan menggunakan perangkat mikroelektronika yang sudah ada.
Pada tahun 1961 fisikawan Rolf Landauer dari IBM’s Thomas J. Watson Research Center di Yorktown Heights, NY, menunjukkan bahwa komputasi konvensional menimbulkan biaya yang tidak dapat dihindari dalam disipasi energi—pada dasarnya, dalam menghasilkan panas dan entropi. Itu karena komputer konvensional terkadang harus menghapus bit informasi di sirkuit memorinya untuk memberi ruang lebih banyak. Setiap kali satu bit (dengan nilai 1 atau 0) disetel ulang, sejumlah energi minimum tertentu dihamburkan—yang oleh Ray dan Crutchfield disebut sebagai “Landauer”. Nilainya tergantung pada suhu sekitar: di ruang tamu Anda, satu Landauer akan menjadi sekitar 10–21 joule. (Sebagai perbandingan, sebuah lilin yang menyala memancarkan energi sebesar 10 joule per detik.)
Ilmuwan komputer telah lama menyadari bahwa batas Landauer tentang seberapa sedikit panas yang dihasilkan komputasi dapat dikurangi dengan tidak menghapus informasi apa pun. Perhitungan yang dilakukan dengan cara itu sepenuhnya dapat dibalik karena tidak membuang informasi berarti setiap langkah dapat ditelusuri kembali. Mungkin terdengar seolah-olah proses ini akan mengisi memori komputer dengan cepat. Tetapi pada tahun 1970-an Charles Bennett, juga di TJ Watson, menunjukkan bahwa alih-alih membuang informasi di akhir perhitungan, seseorang dapat mengaturnya untuk “mendekomposisi” hasil antara yang tidak lagi diperlukan dengan membalikkan langkah logisnya dan mengembalikan komputer ke keadaan aslinya .
Tangkapannya adalah, untuk menghindari perpindahan panas—yaitu, untuk menjadi apa yang oleh fisikawan disebut sebagai proses adiabatik—serangkaian operasi logika dalam perhitungan biasanya harus dilakukan dengan sangat lambat. Dalam arti, pendekatan ini menghindari “pemanasan gesekan” dalam proses tetapi dengan biaya yang sangat lama untuk menyelesaikan perhitungan. Tampaknya tidak ada solusi praktis, kalau begitu. “Kebijaksanaan konvensional untuk waktu yang lama adalah bahwa disipasi energi dalam komputasi reversibel sebanding dengan kecepatan,” kata ilmuwan komputer Michael Frank dari Sandia National Laboratories di Albuquerque, NM
SAMPAI BATAS—DAN MELAMPAUINYA
Komputasi berbasis silikon tidak mendekati batas Landauer: saat ini komputasi semacam itu menghasilkan sekitar beberapa ribu Landauer dalam panas per operasi logis, dan sulit untuk melihat bagaimana bahkan beberapa chip silikon superefisien di masa depan bisa berada di bawah 100 atau lebih. . Tetapi Ray dan Crutchfield mengatakan bahwa adalah mungkin untuk berbuat lebih baik dengan mengkodekan informasi dalam arus listrik dengan cara baru: bukan sebagai pulsa muatan tetapi dalam momentum partikel yang bergerak. Mereka mengatakan bahwa ini akan memungkinkan komputasi dilakukan secara reversibel tanpa harus mengorbankan kecepatan.
Kedua peneliti dan rekan kerja mereka memperkenalkan ide dasar komputasi momentum tahun lalu. Konsep kuncinya adalah bahwa momentum partikel pengkodean bit dapat memberikan semacam memori “gratis” karena membawa informasi tentang gerakan partikel di masa lalu dan masa depan, bukan hanya keadaan sesaatnya. “Sebelumnya, informasi disimpan secara posisional: ‘Di mana partikelnya?’” kata Crutchfield. Misalnya, apakah elektron tertentu ada di saluran ini atau itu ? “Komputasi momentum menggunakan informasi dalam posisi dan kecepatan,” katanya.
Informasi tambahan ini kemudian dapat dimanfaatkan untuk komputasi reversibel. Agar ide bekerja, operasi logis harus terjadi jauh lebih cepat daripada waktu yang dibutuhkan bit untuk mencapai kesetimbangan termal dengan lingkungannya, yang akan mengacak gerakan bit dan mengacak informasi. Dengan kata lain, “komputasi momentum mengharuskan perangkat berjalan dengan kecepatan tinggi,” kata Crutchfield. Agar berhasil, “Anda harus menghitung dengan cepat”—yaitu, secara nonadiabatis.
Para peneliti mempertimbangkan bagaimana menggunakan ide untuk mengimplementasikan operasi logis yang disebut bit swap, di mana dua bit secara bersamaan membalik nilainya: 1 menjadi 0, dan sebaliknya. Di sini tidak ada informasi yang dibuang; itu hanya dikonfigurasi ulang, artinya, secara teori, tidak ada biaya penghapusan.
Namun jika informasi dikodekan hanya dalam posisi partikel, sedikit swap—katakanlah, berpindah partikel antara saluran kiri dan kanan—berarti identitas mereka diacak dan karena itu tidak dapat dibedakan dari “sebelum” dan ” setelah” menyatakan. Tetapi jika partikel memiliki momentum yang berlawanan, mereka tetap berbeda, sehingga operasi menciptakan perubahan asli dan reversibel.