Революционное развитие в области стохастической термодинамики предлагает многообещающие идеи о взаимодействии вычислений и энергоэффективности, что может помочь в борьбе с климатическими изменениями. Опубликованная в Proceedings of the National Academy of Sciences, эта работа раскрывает математические инструменты, которые исследуют внутренние механизмы вычислительных систем, работающих далеко от теплового равновесия.
Традиционно тепловое равновесие достигается, когда между двумя системами не происходит теплообмена. Однако компьютеры, которые потребляют энергию и выделяют тепло во время обработки информации, функционируют в состоянии, далеким от равновесия. Критический вопрос, который ставят исследователи, заключается в том, как количество энергии, необходимое физическим системам для выполнения вычислений, связано с деталями этих вычислений.
На протяжении более века физики и специалисты по информатике пытались соединить термодинамику и вычисления, но до недавнего времени у них не было строгого способа изучения таких систем. Стохастическая термодинамика изменила эту ситуацию, предоставив необходимые математические инструменты для количественного анализа поведения неравновесных систем на различных масштабах.
Дэвид Уолперт, профессор Института Санта-Фе, описывает этот переход как большую революцию в неравновесной физике. Он утверждает: «Это дает нам инструменты для исследования и количественной оценки всего, что происходит с системами, даже произвольно далекими от равновесия». Эти инструменты включают математические теоремы, соотношения неопределенности и термодинамические ограничения скорости, которые могут помочь исследователям изучить связи между энергией, вычислениями и воздействием на климат.
Поскольку энергетические потребности для вычислений продолжают расти, понимание этих потерь становится крайне важным. Ян Корбел, постдокторант в Complexity Science Hub в Вене, подчеркивает: «Каждый расчет в каждом компьютере требует энергии, часть которой теряется в виде тепла, нагревая не только систему, но и планету».
Импликации стохастической термодинамики выходят за пределы вычислений. Биологические системы, такие как клетки и нейроны, также выполняют вычисления вне равновесия. Уолперт отмечает, что полученные знания могут привести к более энергоэффективным проектам для реальных устройств, выступая в роли «объединяющего клея», связывающего различные научные области.
«Эти соображения отсутствовали в работах физиков 20-го века. Теперь они позволяют нам задуматься о реальной энергетике этих систем», — добавляет он, подчеркивая трансформационный момент в нашем понимании энергии и вычислений.