CPUの熱発生を大幅削減、タスクを温度振動と同期させる画期的手法
現代のCPUにおいて、計算処理に伴うエネルギー消費と発熱は避けられない課題です。トランジスタが微細化するにつれ、1回の演算に必要な電圧は低下していますが、やがて理論的な最小電圧の限界（ランダウアー限界）に達すると予想されています。
ランダウアー限界を1000倍下回る省エネ手法
オランダ・トゥウェンテ大学のヤン・クラース教授は、「熱的絞り込み状態（squeezed thermal states）」を利用し、この理論限界を突破する新たなアプローチを提唱しました。この手法では、プロセッサの周囲環境（熱浴）が自然に示す温度振動と計算タイミングを同期させることで、ビット消去に必要なエネルギーをランダウアー限界（0.0172電子ボルト）の1000分の1まで削減できる可能性があります。
熱的絞り込み状態とは
「絞り込み」とは、系の揺らぎ（ノイズ）が各次元で不均一に分布している状態を指します。熱浴は平均温度を中心に、より低い温度とより高い温度の間を振動します。つまり、ある瞬間には熱浴が「冷たい」状態になり、別の瞬間には「熱い」状態になります。
ビットを最小エネルギーで消去・リセットするには、熱浴が冷たい状態にある瞬間に演算を実行すればよいのです。クラース教授は、熱浴をより強く絞り込むほどエネルギーコストが下がり、理論上は下限がないことを発見しました。
既存コンピュータへの適用可能性
現代のプロセッサはクロック周波数に合わせてビットを切り替えるため、発熱とともに周囲温度が必然的に振動します。この振動は複雑なパターンを持ちますが、一種の「絞り込み」として機能しています。エンジニアはこの絞り込みを制御し、ビット操作を常に冷たいフェーズで行うよう設計できます。実際にどれだけの省電力化が可能かは今後の検証が必要ですが、既存のCPUアーキテクチャを大幅に変更せずに導入できる大きな利点があります。
参考文献: Phys. Rev. Lett. | doi:10.1103/PhysRevLett.122.040602 | APS Physics
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