미래의 컴퓨터는 작업을 온도 진동과 동기화하여 열 생산을 줄일 수 있습니다.

• 새로운 방법을 통해 최신 CPU는 Landauer 한계(0.0172전자볼트)보다 1,000배 적은 에너지를 사용하여 계산을 수행할 수 있습니다.
• 프로세서의 온도 진동과 작업을 동기화하여 작동합니다.

디지털 전자 제품에서 에너지 손실은 오늘날 주요 설계 고려 사항 중 하나입니다. 처리 장치가 계속 축소됨에 따라 계산당 필요한 전압이 감소합니다. 조만간 트랜지스터는 단일 작업을 수행하는 데 필요한 최소 전압에 대한 이론적인 한계에 도달하게 됩니다.

최근에 네덜란드 트벤테 대학(University of Twente)의 Jan Klaers 교수는 이러한 이론적 한계를 극복하는 데 사용할 수 있는 '압축된 열 상태'를 제안했습니다. 이러한 상태는 처리 장치가 더 적은 에너지를 소비하면서 더 낮은 온도에서 효과적으로 수행하도록 합니다.

기존 컴퓨터 기술은 프로세서의 열 환경 내에서 자연적으로 발생하는 이러한 상태를 활용할 수 있습니다. 그리고 미래에 압착 상태는 보다 에너지 효율적인 전자 장치를 개발하기 위해 이용될 수 있습니다.

Abit를 지우는 데 필요한 에너지의 양

1961년 독일계 미국인 물리학자인 Rolf Landauer는 IBM에서 근무하면서 디지털 비트 열역학 모델을 개발했습니다. 이 모델에 따르면 약간의 메모리를 재설정하거나 지우는 것과 같이 데이터를 변경하는 논리적으로 되돌릴 수 없는 작업은 엔트로피를 증가시키고 해당 에너지 양은 열로 소산됩니다.

그는 비트를 지우거나 재설정하는 데 필요한 가능한 가장 낮은 에너지(1-상태에서 0-상태로)를 계산했으며, 결과는 0.7*k(B)*T였습니다. , 여기서 k(B)는 볼츠만 상수이고 T는 주변 온도입니다.

이 원칙은 양자 정보, 양자 컴퓨팅 및 가역 컴퓨팅과도 관련이 있습니다. 2012년에 연구자들은 이 원리를 확인하기 위한 실험을 했습니다.

그러나 원리는 시스템이 열평형 상태일 때만 작동합니다. Jan Klaers는 이제 비트가 평형 상태를 유지하고 '열 수조'(주변 환경)가 수조를 열적으로 압착하여 평형에서 벗어나는 새로운 접근 방식을 구축했습니다.

참조:Phys. 레트 목사 | doi:10.1103/PhysRevLett.122.040602 | APS 물리학

'압박'이라는 용어는 시스템의 여러 차원에 고르지 않게 흩어져 있는 변동(노이즈와 관련됨)을 나타냅니다. 수조는 압착 단계에서 2가지 온도 사이에서 진동합니다. 하나는 평균 온도보다 낮고 다른 하나는 평균 온도보다 높습니다. 이것은 목욕이 특정 순간에 차갑거나 뜨거울 수 있음을 의미합니다.

컴퓨터 회로의 연결된 비트 네트워크 | 이러한 비트에서 작업을 수행하려면 결국 열(빨간색)로 소산되는 에너지가 필요합니다. | 출처:J. Klaers/트벤테 대학교

가능한 최소한의 에너지로 비트를 지우거나 재설정하려면 욕조가 차가운 상태일 때 작업을 수행해야 합니다. 따라서 비트 리셋을 위한 에너지 비용을 줄이기 위해 온도 진동과 작동을 동기화할 수 있습니다. 사실, Klaers는 에너지 비용에 하한선이 없다는 것을 발견했습니다. 목욕을 더 많이 짜낼수록 에너지 비용이 낮아집니다.

이 기술을 기존 컴퓨터에 적용할 수 있습니까?

연구원에 따르면 이 방법은 오늘날의 컴퓨터 비트에 사용될 수 있으며 Landauer 제한보다 1,000배 더 많은 에너지를 절약할 수 있는 잠재력이 있습니다.

현대 컴퓨터 기술에서 이 기술을 사용하면 큰 이점이 있습니다. 압착된 열 환경이 무료로 제공됩니다. 최신 프로세서는 수백만 비트를 지우거나 전환하여 계산을 수행하며 각 작업은 일정량의 열을 방출합니다.

CPU 클럭에 의해 결정된 주파수에서 발열이 발생하기 때문에 수조의 온도가 진동합니다. 이러한 진동은 복잡한 패턴을 가지고 있지만 동작은 쥐어짜기의 한 형태입니다.

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엔지니어는 비트가 콜드 상태일 때 항상 처리되는 방식으로 이 압축을 구성할 수 있습니다. 이러한 방식으로 열 진동에 의해 구동되는 계산은 더 적은 전력을 소비하지만 정확히 얼마나 더 적은 전력을 소비하는지 아직 조사해야 합니다.