Стохастическая термодинамика, новая ветвь науки, способна пролить свет на фундаментальные взаимосвязи между вычислениями и термодинамическими процессами, что открывает важные перспективы для повышения энергоэффективности и снижения климатического воздействия. В статье, обнародованной в Proceedings of the National Academy of Sciences, говорится, что математический аппарат этой дисциплины позволяет исследовать скрытые процессы в вычислительных системах, функционирующих в условиях, далеких от теплового равновесия.
Когда между двумя системами отсутствует теплообмен, достигается тепловое равновесие. Компьютеры же функционируют, потребляя энергию и выделяя тепло при обработке данных, находясь далеко от этого состояния. Если бы они прекратили потребление энергии, их работа остановилась бы. Но как изменяется количество энергии, необходимой для выполнения вычислительных операций, в зависимости от их характера?
На протяжении более века физики и специалисты по информатике стремились найти связь между термодинамикой и вычислительными процессами, но до недавнего времени у них не было строгих методов анализа таких систем. С появлением стохастической термодинамики это изменилось: она предоставила математические средства для изучения и количественной оценки поведения систем, находящихся вне равновесия, на любом уровне.
«Это стало революцией в понимании неравновесных процессов. Мы можем использовать эти инструменты для количественной оценки, оперируя даже значительно отдаленными от равновесия системами», — отмечает профессор Дэвид Уолперт из SFI.
Данные инструменты включают в себя математические теоремы, принципы неопределенности и термодинамические ограничения скорости. Они предоставляют исследователям возможность изучать взаимодействия между потреблением энергии, вычислениями и климатическим влиянием. «Каждое действие в компьютере требует энергии, часть которой преобразуется в тепло, нагревая не только саму систему, но и окружающую среду. С учетом того, что энергозатраты на вычисления продолжают увеличиваться, важно минимизировать эти потери», — говорит Ян Корбел, исследователь из Complexity Science Hub в Вене.
Перспективы применения стохастической термодинамики выходят за пределы компьютерных систем. Клетки и нейроны мозга также выполняют вычисления, далекие от равновесия. В более масштабных временных промежутках социальные структуры и эволюционные процессы функционируют в неравновесных условиях.
На прикладном уровне исследования в области энергии, затрачиваемой на вычисления, могут указать более оптимальные способы создания энергоэффективных устройств. По словам Уолперта, выводы стохастической термодинамики имеют широкую применимость, связывая различные области знаний, куда можно интегрировать эти концепции.
«Эти подходы ранее не учитывались в исследованиях 20-го века. Теперь же они позволяют нам переосмыслить реальный энергопотребление этих систем», — добавляет Уолперт.
.
Источник: iXBT
