Новая область науки, стохастическая термодинамика, может раскрыть глубокие связи между вычислениями и термодинамикой, что имеет важные последствия для энергоэффективности и воздействия на климат. Согласно статье, опубликованной в Proceedings of the National Academy of Sciences, математические инструменты этой области могут помочь исследовать внутренние механизмы вычислительных систем, которые работают далеко от теплового равновесия.

Тепловое равновесие достигается, когда между двумя системами не проходит тепло. Однако компьютеры, потребляющие энергию и выделяющие тепло при обработке информации, работают далеко от этого состояния. Если бы они прекратили потреблять энергию, то они бы перестали функционировать. Но как количество энергии, необходимое физической системе для выполнения вычислений, зависит от деталей вычислений?

Источник: DALL-E

Физики и специалисты по информатике пытались связать термодинамику и вычисления более века, но до недавнего времени у них не было строгого способа изучения таких систем. Стохастическая термодинамика изменила это, предоставив математические инструменты для исследования и количественной оценки поведения неравновесных систем во всех масштабах.

«Это была крупная революция в неравновесной физике. Она даёт нам инструменты для исследования и количественной оценки с помощью уравнений всего, что происходит с системами, даже произвольно далёкими от равновесия», — говорит профессор SFI Дэвид Уолперт.

Эти инструменты включают математические теоремы, соотношения неопределённости и даже термодинамические ограничения скорости. Они могут помочь исследователям исследовать связи между энергией, вычислениями и воздействием на климат. «Каждый расчёт в каждом компьютере требует энергии, часть которой теряется в виде тепла, нагревая не только систему, но и планету. Поскольку энергетические потребности вычислений продолжают расти, крайне важно минимизировать эти потери», — говорит Ян Корбел, постдокторант в Complexity Science Hub в Вене.

Сопоставление между конструктивными особенностями компьютера и его производительностью при вычислении функции опосредовано затратами ресурсов. Источник: Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI: 10.1073/pnas.2321112121

Потенциальные выгоды от использования стохастической термодинамики выходят далеко за рамки компьютеров. Клетки выполняют вычисления, далёкие от равновесия, так же и нейроны в мозге. В более широких временных масштабах социальные системы и даже биологическая эволюция действуют вне равновесия.

На практическом уровне более глубокое понимание энергии вычислений может указать на более энергоэффективные способы проектирования реальных устройств. Выводы в стохастической термодинамике, говорит Уолперт, «повсеместны во всём, что мы можем считать вычислениями. Во многих отношениях они обеспечивают "объединяющий клей", с помощью которого можно связать и интегрировать все эти различные области».

«Эти соображения отсутствовали в работах физиков 20-го века. теперь они дают нам возможность думать о реальной энергетике этих систем», — добавляет Уолперт.

Подробнее на iXBT