将来のコンピューターは、タスクを温度振動と同期させることにより、熱生成を減らす可能性があります

• 新しい方法により、最新のCPUは、ランダウアーの限界（0.0172電子ボルト）の1,000分の1のエネルギーを使用して計算を実行できるようになります。
• これは、動作をプロセッサの温度振動と同期させることによって機能します。

デジタルエレクトロニクスでは、エネルギー散逸は今日の主要な設計上の考慮事項の1つです。処理装置が縮小し続けると、計算ごとに必要な電圧が低下します。遅かれ早かれ、トランジスタは単一のタスクを実行するために必要な最小電圧の理論上の限界に達します。

最近、オランダのトゥエンテ大学のJan Klaers教授が、この理論上の限界を回避するために使用できる「圧搾された熱状態」を提案しました。これらの状態により、処理装置はより少ないエネルギーを消費しながら、より低い温度で効果的に動作するようになります。

既存のコンピューター技術は、プロセッサーの熱環境内で自然に発生するこれらの状態を利用できます。そして将来的には、スクイーズド状態を利用して、よりエネルギー効率の高い電子デバイスを開発する可能性があります。

ビットを消去するために必要なエネルギー量

1961年、ドイツ系アメリカ人の物理学者であるRolf Landauerは、IBMで働いている間にデジタルビット熱力学モデルを開発しました。このモデルによると、メモリのビットをリセットまたは消去するなど、データを変更する論理的に不可逆的な操作は、エントロピーを増加させ、対応する量のエネルギーが熱として放散されます。

彼は、ビットを消去またはリセットするために必要となる可能性のある最低のエネルギー（1状態から0状態へ）を計算し、 0.7 * k（B）* T であることが判明しました。 、ここで、k（B）はボルツマン定数、Tは周囲温度です。

この原理は、量子情報、量子コンピューティング、可逆計算にも関連しています。 2012年に、研究者はこの原理を確認するために実験を行いました。

ただし、この原理は、システムが熱平衡にある場合にのみ機能します。 Jan Klaersは、ビットが平衡状態を維持し、「熱浴」（周囲の環境）が熱的に浴を圧迫することによって平衡状態から追い出されるという新しいアプローチを構築しました。

参照：Phys。レット牧師| doi：10.1103 / PhysRevLett.122.040602 | APS物理学​​

「スクイーズ」という用語は、システムのさまざまな次元に不均一に分散している（ノイズに関連する）変動を指します。浴は、圧搾された段階で2つの温度の間で振動します。1つは平均温度より低く、もう1つは平均温度より高くなります。これは、お風呂が特定の瞬間に冷たくても熱くてもよいことを意味します。

コンピューター回路内の接続されたビットのネットワーク|これらのビットで操作を実行するにはエネルギーが必要であり、最終的には熱として放散されます（赤）|クレジット：J。Klaers / University of Twente

最小限のエネルギーでビットを消去/リセットするには、お風呂が冷えた状態で操作を行う必要があります。したがって、動作を温度振動と同期させて、ビットをリセットするためのエネルギーのコストを削減することができます。実際、Klaersは、エネルギーコストに下限がないことを発見しました。お風呂を絞るほど、エネルギーコストは低くなります。

この手法を既存のコンピューターに適用できますか？

研究者によると、この方法は今日のコンピュータービットに使用でき、ランダウアーの限界の1,000倍のエネルギー節約をもたらす可能性があります。

現代のコンピューター技術でこの技術を使用することには大きな利点があります。圧迫された熱環境は無料で提供されます。最新のプロセッサは、数百万ビットを消去または切り替えることで計算を実行し、各操作で一定量の熱が放出されます。

発熱はCPUクロックで決まる周波数で発生するため、槽の温度が変動します。このような振動には複雑なパターンがありますが、動作は圧迫の一形態です。

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エンジニアは、ビットがコールド状態のときに常に処理されるように、このスクイーズを構成できます。このように、熱振動によって駆動される計算は、より少ない電力を消費しますが、正確にどれだけ少ない量を調べる必要があります。