Entendre el cost energètic de la computació

Investigadors de l'Institut de Física Interdisciplinària i Sistemes Complexos (IFISC, UIB-CSIC), la Universitat de Colorado, el Santa Fe Institute i el Centre Internacional Abdus Salam de Física Teòrica (ICTP) han assolit progressos que milloren la nostra comprensió teòrica de les demandes energètiques dels ordinadors moderns. L'estudi, publicat a la Physical Review X, presenta un nou marc teòric per quantificar aquests costos termodinàmics, fins i tot a un nivell elemental.

L'equip, sota la direcció de l'investigador de l’IFISC (UIB-CSIC) Gonzalo Manzano, ha desenvolupat una metodologia per quantificar la dissipació mínima d'energia dels ordinadors que duen a terme tasques específiques, sense necessitat de disposar d'amplis detalls sobre la constitució física dels propis dispositius. Aquest enfocament fa servir tècniques avançades del camp de la termodinàmica estocàstica per abordar reptes, com l'impacte de la irreversibilitat lògica i els càlculs amb un temps d'execució indeterminat.

La clau d'aquesta recerca, titulada «Thermodynamics of computations with absolute irreversibility, unidirectional transitions, and stochastic computation strategies», és l'aplicació de principis i tècniques utilitzats habitualment en matemàtiques financeres, com la teoria martingala, per tractar la naturalesa estocàstica dels càlculs en el món real. Les troballes inclouen relacions universals per a les fluctuacions d'energia i límits per als costos energètics de qualsevol tasca computacional, la qual cosa permet millorar la nostra comprensió de la segona llei de la termodinàmica en el context del processament de la informació.

A més de perfeccionar les lleis existents de la termodinàmica en relació amb les tasques computacionals, l'estudi també introdueix elements crucials per tenir en compte les fluctuacions en processos allunyats de l'equilibri. Aquests coneixements poden ser fonamentals per dissenyar sistemes informàtics més eficients des del punt de vista energètic, una qüestió de cada vegada més crítica per minimitzar l'impacte ambiental de la tecnologia.

Les implicacions d'aquesta recerca superen les ciències computacionals tradicionals. Aquests avenços tenen aplicacions potencials en física biològica, sobretot per entendre al manera com els sistemes vius processen la informació. Com que estableix noves relacions termodinàmiques universals aplicables a l'estadística computacional, aquest treball posa les bases per a futures innovacions en múltiples disciplines. 

Manzano, G., Kardeş, G., Roldán, É., & Wolpert, D. H. (2024). Thermodynamics of Computations with Absolute Irreversibility, Unidirectional Transitions, and Stochastic Computation Times. Physical Review. X, 14(2). https://doi.org/10.1103/physrevx.14.021026

Imatge: Esquema d'un model de màquina de computació que comença en l'estat lògic q0 i acaba el càlcul quan s'aconsegueix l'estat q2. Durant l'evolució, el processament de la informació i els salts estocàstics en l'estat de la màquina provoquen una dissipació d'energia en l'entorn.