Исследования показывают неизбежные затраты на электроэнергию по всем каналам связи

Каждая задача, которую мы выполняем на компьютере — будь то подсчет чисел, просмотр видео или написание статьи — требует взаимодействия различных компонентов машины друг с другом. «Коммуникация чрезвычайно важна для любых вычислений», — говорит бывший научный сотрудник SFI Абхишек Ядав, доктор философии. ученый из Университета Нью-Мексико. Но ученые не до конца понимают, сколько энергии вычислительные устройства тратят на связь.

За последнее десятилетие профессор SFI Дэвид Вулперт возглавил исследования, направленные на разгадку принципы, лежащие в основе термодинамических затрат на вычисления.

Вулперт отмечает, что определение «термодинамических границ стоимости связи» является игнорируемой, но важной проблемой в этой области, поскольку она применима не только к компьютерам, но и ко всем системам связи. «Они — все, что поддерживает современное общество», — говорит он.

Новое исследование показывает затраты на электроэнергию

Теперь исследование в Физический обзор исследований, в соавторстве с Ядавом и Вулпертом, проливает свет о неизбежном рассеянии тепла, которое происходит при передаче информации по системе, что бросает вызов более раннему мнению, что в принципе связь не требует энергетических затрат.

Для исследования исследователи использовали и объединили принципы информатики, теории связи и стохастическая термодинамикараздел статистической физики, который занимается реальными неравновесными системами, включая смартфоны и ноутбуки.

Понимание рассеивания тепла в каналах

Используя логическую абстракцию общих каналов связи, исследователи определили минимальное количество тепла, которое система должна рассеять для передачи одной единицы информации. Эту абстракцию можно применить к любому каналу связи — искусственному (например, оптический кабель) или биологическому (например, нейрон, посылающий сигнал в мозг).

В реальных каналах связи всегда присутствует некоторый шум, который может помешать передаче информации, и концепция, разработанная Ядавом и Вольпертом, показывает, что минимальное тепловыделение по крайней мере равно количеству полезной информации (технически называемой взаимной информацией), которая фильтруется через шум канала.

Кодирование, декодирование и их энергетические компромиссы

Затем они использовали другую широко применимую абстракцию того, как современные компьютеры выполняют вычисления, чтобы получить минимальные термодинамические затраты, связанные с кодированием и декодированием.

Этапы кодирования и декодирования обеспечивают надежную передачу сообщений за счет уменьшения шума канала. Здесь исследователи пришли к важному выводу: повышение точности передачи данных за счет улучшения алгоритмов кодирования и декодирования достигается за счет увеличения тепловыделения внутри системы.

Последствия для будущих технологий

Выявление неизбежных энергетических затрат на отправку информации по каналам связи может помочь в создании энергоэффективных систем. Ядав считает, что архитектура фон Неймана, используемая в современных компьютерах, требует значительных энергетических затрат, связанных с связью между процессором и памятью.

«Принципы, которые мы излагаем, могут быть использованы для вдохновения при создании будущей компьютерной архитектуры», — говорит он.

Поскольку эти затраты энергии применимы ко всем каналам связи, работа представляет собой потенциальную возможность для исследователей углубить понимание различных энергоемких сложных систем, где коммуникация имеет решающее значение, от биологических нейронов до искусственных логических схем. По словам Ядава, несмотря на сжигание 20% калорий организма, мозг использует энергию гораздо эффективнее, чем искусственные компьютеры.

«Поэтому было бы интересно посмотреть, как естественные вычислительные системы, такие как мозг, справляются с затратами, связанными с общением».