В 1961 году Рольф Ландауэр из компании IBM сформулировал принцип, который позже назвали его именем: в любой вычислительной системе, независимо от её физической реализации, при потере 1 бита информации выделяется теплота в количестве по крайней мере W джоулей:
W = kB T ln 2,
где kB — константа Больцмана, T — абсолютная температура вычислительной системы в кельвинах.
Физикам из Калифорнийского университета в Беркли удалось провести успешный эксперимент с битовыми операциями в магнитной памяти и вплотную приблизиться к этому теоретическому пределу.
11 марта 2016 года в журнале Science Advances опубликована в открытом доступе научная работа с описанием эксперимента, в котором физики проверяли физические свойства магнитных битов памяти, в которых роль нулей и единиц играют не электроны, а состояние намагниченности маленьких наночастиц. Предполагалось, что изменение направления намагниченности частицы потребует совсем небольшого количества энергии.
Эксперимент показал, что на запись и чтение одного бита информации с намагниченной наночастицы тратится всего 4 зептоджоуля (4*10–21 Дж), то есть примерно в миллион раз меньше, чем тратится на обработку одного бита в современных компьютерах.
Схема экспериментальной установки и фотографии отдельных однодоменных наномагнитов с разным направлением намагниченности
«Главной проблемой при разработке современных компьютеров, и, в принципе, всей существующей электроники являются энергоаппетиты этих устройств. Увеличение скорости работы транзисторов требует всё больше и больше энергии. Чипы стали настолько горячими, что они буквально плавятся во время работы», — сказал Джеффри Бокор (Jeffrey Bokor), один из авторов научной работы.
Согласно расчётам, полученное значение затрат энергии близко к теоретическому минимуму из принципа Ландауэра.
Сокращение энергопотребления компьютеров в миллион раз, безусловно, стало бы весьма существенным достижением. Например, мощные компьютеры могли бы работать от маленьких фотоэлементов.
Комментарии (33)
Coriander
13.03.2016 20:59А какая частота у этой магнитной операции была? А то на килогерце и электронные компоненты вполне себе энергоэффективны.
Alexeyslav
14.03.2016 11:21+3Речь идёт об энергии обработки одного бита. От частоты это не зависит. На 1кгц просто напросто в 1000 раз меньше информации обработаешь чем на частоте 1Мгц, а если задача стоит обработать массив в 1Мбит то энергии уйдёт столько же что на 1Мгц, что на 1кГц, только время обработки в 1000 раз разниться будет.
Mad__Max
14.03.2016 20:39Еще как зависит — при снижении частоты можно снижать рабочее напряжение, т.к. относительно "высокие" напряжения в чипах нужны чтобы успевать переключить состояние за очень ограниченный (и обратно пропорциональный частоте) промежуток времени.
А потребление энергии в обычных электронных чипах зависит примерно пропорционально квадрату напряжения. Соответственно со снижением частоты и рабочего напряжения потребление энергии снижается быстрее чем снижается скорость обработки информации, а энергоэффективность (затраты на единицу обработанной информации) наоборот растет.
В миллион раз конечно и близко снизить невозможно, но зависимость от частоты есть и существенная.
alekseev_ap
14.03.2016 23:41Согласен. Если бы зависимости от частоты не было бы, то давно уже перешли бы к десяткам Гигагерц. А так уже лет десять около 2-4 топчемся.
sim31r
20.03.2016 15:55Если снизить частоту до 0 Гц, некоторое потребление сохранится, из-за утечек токов, а производительности не будет вообще. Вывод, оптимальная энергоэффективность на некоторой средней частоте, не большой и не маленькой. На малых частотах просто будут всю энергию съедать токи утечки и энергия на обработку одного бита станет бесконечно большой при снижении частоты до 0.
Sadler
13.03.2016 21:25+12Вы так ловко перескочили от энергопотребления памяти к энергопотреблению всего компьютера, а ведь память далеко не на первом месте по температуре и потреблению. И не забывайте: придётся ещё затрачивать энергию на позиционирование той считывающей головки, что показана на рисунке, так что цифры могут сильно измениться.
a5b
13.03.2016 22:29+1память далеко не на первом месте по температуре и потреблению.
Тем не менее, для проекта Exascale — кластер на экзафлопс к 2020 году в 20 МВт нынешняя память не подходит по энергопотреблению.
http://www.extremetech.com/computing/185797-forget-moores-law-hot-and-slow-dram-is-a-major-roadblock-to-exascale-and-beyond "Forget Moore’s law: Hot and slow DRAM is a major roadblock to exascale and beyond" / Joel Hruska on July 14, 2014
The current goal is to build an exascale supercomputer within a 20MW power envelope, sometime between 2018 and 2020. Exascale describes a system that has exaflops of processing power, and perhaps hundreds of petabytes of RAM (current systems max out at around 30 petaflops and only a couple of petabytes of RAM. If today’s best DDR3 were used for the first exascale systems, the DRAM alone would consume 54MW of power. Clearly massive improvements are needed. So how do we find them?
page 2: According to a recent research paper, this could cut the RAM power consumption of a 100-petabyte supercomputer from 52MW (assuming standard DDR3-1333) to well below 10MW depending on the precise details of the technology.
В масштабах чипа, если пересчитать затраты на бит, внешняя память потребляет значительную энергию (но регистры — это тоже память, основные затраты — на передачу данных на разных уровнях, ещё что-то требуется на выборку строк и столбцов в массивах):
https://www.nersc.gov/assets/NERSC-Staff-Publications/2010/ShalfVecpar2010.pdf Exascale Computing Technology Challenges, Shalf / VECPAR 2010, LNCS 6449, pp. 1–25, 2011. doi:10.1007/978-3-642-19328-6_1
"Fig. 2. Energy cost of data movement relative to the cost of a flop for current and 2018 systems (the 2018 estimate is conservative and doesn’t account for the development of an advanced memory part). The biggest change in energy cost is moving data off-chip."
В https://xstackwiki.modelado.org/images/f/f7/CoDExShalf_ASCR_XStack_p1.pptx ("Data Movement Dominates (DMD) and CoDEx: CoDesign for Exascale", 2013, 3/20/13: X-Stack 6-Month PI Meeting) энергия доступа к 1 ячейке DRAM оценивается менее чем в 1 пикоджоуль — "DRAM cells require < 1 pJ to access". Предполагается, что переход на TSV с уменьшением расстояний позволит уменьшить общие затраты энергии на работу с внешней памятью:
TSVs orders of magnitude less energy
–250 fJ/bit for reading DRAM
–5 fJ/bit for TSV
–250 fJ/bit for mem. controller
–~0.5 pJ/bit (compared to 30pJ for conventional DIMM)
EmmGold
13.03.2016 21:34Может банки памяти на ферритовых кольцах вернутся ;)
ooprizrakoo
14.03.2016 00:47-6И несчастные японские девочки, получающие зрение "минус шесть" к 14-ти годам, вдевающие проволоку в эти колечки...
Banzy
13.03.2016 22:52Есть ли приблизительные оценки времени для промышленной реализации этой технологии?
SGordon123
13.03.2016 22:52что такое «при потере 1 бита»? Может при изменении?
calx
13.03.2016 23:11+2При уничтожении информации объёмом один бит. Если вентиль получает на вход два бита, а на выход выдаёт один, то один бит в процессе уничтожается. Уничтожается — рассасывается в цепи питания.
SGordon123
14.03.2016 10:39если вентилю пририсовать инвертирующий выход — в цепи питания не будет ничего рассасываться/ уничтожаться?
calx
14.03.2016 10:50+1Как и что правильно пририсовать рассматривается в рамках Адиабатической реверсивной логики. Там, к сожалению, не настолько всё просто, чтобы взять и наклепать чипов на её основе.
calx
14.03.2016 12:24+1Кстати, кажется, я не прав в комментарии выше. Уничтожение бита значит не возврат в цепь питания, а рассеяние в виде тепла. АРЛ как раз вроде и занимается возвратом уничтожаемой информации в цепь питания вместо рассеяния.
rPman
20.03.2016 01:47Нет, если я верно понял, любая операция — уничтожение одного или нескольких бит, по количеству входов.
Наверное передача информации тоже уничтожение.
bachin
14.03.2016 00:22Уважаемый редактор, может лучше про реактор, а? Про любимый лунный трактор?
Если сразу пересчитать по этому правилу расчет SHA256, то все поклонники криптовалют будут знать, что есть физический предел совершенствованию асиков.sim31r
14.03.2016 00:41Физический предел при комнатной температуре, а потом будет охлаждение до тысячных долей градуса. За орбитой Плутона условия для охлаждения микросхем очень хороши :)
Sleepwalker_ua
14.03.2016 01:22+3За орбитой Плутона условия для охлаждения микросхем очень хороши :)
разве что на самом Плутоне. Потому что излучением даже сотни кВт тепла рассеять та еще проблемка. А вот если имеется твердое тело (нагреваемое, испаряемое — не важно) — задачка упрощается, тепловые трубки вбитые в "кору" Плутона. Если достаточно асиков накидать, то и там "яблони" (генно-модифицированные конечно, чтоб жесткий УФ переваривали и метановую атмосферу) зацветут, тепло будет)sim31r
14.03.2016 02:31Да, прикинул по расчетам, проблема рассеять тепло очень большая.
http://vmede.org/sait/content/Medbiofizika_remizov_2012/35_files/mb4_005.jpeg
С понижением температуры падает излучаемая мощность, как четвертая степень температуры. Охладить реактор, разогретый до 1000 градусов не проблема, а охладить процессор до криотемператур — фантастически сложная задача, удельная площадь радиатора вырастет в 1000^4 раз для отдачи той же мощности.
По реликтовое тепловое излучение даже не упоминаю, вообще всё усложняет…
coturnix19
14.03.2016 09:41температура космоса — 3К, так что главное — экранироваться от солнечного тепла, лететь на плутон думаю для этого не обязательно.
Tokot
14.03.2016 12:29+1Температура космоса понятие внутренне противоречивое. Температура это свойство вещества, а не пространства. Если за орбитой плутона вакуум, то понятие температуры к нему неприменимо. А если время от времени в вас и будут тыкаться случайные «холодные» частицы — много тепла вы им не передадите.
janatem
14.03.2016 10:20-1Предел Ландауэра — не указ. Вот ты, Анон, будешь сидеть и ждать магнитной памяти или пойдешь учиться программировать в обратимой логике?
neosapient
14.03.2016 23:07Юмор: Т.е. магнитики с холодильника на ноутбук теперь вещать не стоит во избежании неприятностей?
А если серьезно: то какая защищенность от внешних наводок?
Jamato
Проблема только в том, что помехозащищённость упадёт примерно в столько же раз, насколько я понимаю.
asdfghjk12
Проблема в том, что катушки для намагничивания не уместить в 20 нм… И даже в 90 нм будет сложно… Не говоря уже об лазерах с фокусирующей оптикой. Поэтому процессоры долго ещё будут "плавиться во время работы"...