Dans l'espace à l'intérieur d'une puce informatique, où l'électricité devient information, il y a une frontière scientifique. La même frontière peut être trouvée à l'intérieur d'une cellule, où l'information prend plutôt la forme de concentrations chimiques. Des percées récentes dans le domaine de la physique statistique hors équilibre ont révélé de vastes domaines de recherche cachés dans la « thermodynamique du calcul ». Des avancées dans ce domaine, qui fait intervenir des éléments de physique statistique, l'informatique, biologie cellulaire, et peut-être même la neurobiologie, pourrait avoir des conséquences de grande envergure sur la façon dont nous comprenons, et ingénieur, nos ordinateurs. Pour lancer cette recherche en ligne, Les scientifiques du Santa Fe Institute et leurs collaborateurs ont lancé un wiki en ligne pour la collaboration. Cette semaine, ils ont également publié un article qui résume soigneusement les avancées récentes et les questions ouvertes relatives à la thermodynamique et au calcul.

"Les restrictions thermodynamiques sur tous les systèmes qui effectuent des calculs posent des défis majeurs à la conception moderne des ordinateurs, " écrivent les chercheurs dans le premier paragraphe du wiki, conçu pour « servir de plaque tournante et de lieu de rassemblement pour tous ceux qui sont intéressés ». Ils décrivent ensuite l'ampleur de l'énergie consommée par les ordinateurs et les défis techniques qui surviennent lorsqu'une partie de cette énergie est perdue sous forme de chaleur résiduelle. Le wiki compare également les calculs naturels, réalisée par des cellules ou des cerveaux humains, aux calculs artificiels, qui sont nettement moins efficaces.

La recherche reprend les travaux de Rolf Landauer, qui en 1961 a postulé que pour effacer un seul bit d'information - un 1 ou un 0 - une certaine quantité d'énergie doit être perdue sous forme de chaleur. La perspicacité de Landauer est bien connue des informaticiens et a conduit à une maxime informelle pour éviter l'effacement des bits dans la mesure du possible.

Au-delà du coût de Landauer, le nouvel article essaie de faire comprendre qu'"il y a plus dans la thermodynamique du calcul qu'un simple effacement de bits, ", déclare le co-auteur Joshua Grochow de l'Université du Colorado à Boulder. L'article, publié dans la newsletter informatique SIGACT News, présente des facteurs supplémentaires qui pourraient affecter la façon dont l'énergie entre et sort des atomes au cours d'un calcul.

Pour atteindre d'autres scientifiques qui pourraient être intéressés par la poursuite d'une thermodynamique du calcul, Grochow et le co-auteur David Wolpert du Santa Fe Institute cataloguent certains des nouveaux outils de la physique statistique qui s'appliquent aux systèmes hors d'équilibre, comme les ordinateurs.

"Une partie de ce que nous essayons de faire avec cet article est de rassembler les leçons de la statistique [physique] hors d'équilibre au cours des 20 dernières années d'une manière qui clarifie les nouvelles questions de calcul, " explique Grochow. Il espère qu'en présentant ce que l'on sait maintenant sur la relation entre la thermodynamique et les processus microscopiques qui se produisent au cours du calcul, l'article "incitera les informaticiens à travailler sur une nouvelle génération de questions".

L'une de ces questions concerne la façon de "régler" thermodynamiquement les ordinateurs sur les entrées qu'ils sont le plus susceptibles de rencontrer. Grochow donne l'exemple d'une calculatrice optimisée thermodynamiquement pour les entrées de chaîne aléatoires de 32 bits (équivalent à une valeur décimale de 10 chiffres). La majorité des utilisateurs humains n'entrent pas d'entrées qui nécessitent l'un des bits les plus élevés. Si la calculatrice a été repensée pour "s'attendre" à moins de 32 bits, gaspillerait-il moins d'énergie sous forme de chaleur ?

Au-delà de la précision d'un calcul, Grochow dit que la quantité de mémoire requise par un calcul et la durée du calcul sont d'autres aspects qui pourraient affecter son efficacité thermodynamique.

Wolpert espère que leurs recherches s'élargiront pour incorporer d'autres avancées récentes de la physique statistique, comme l'équation de Jarzinski. Cette équation fournit un pont probabiliste entre le monde à l'échelle macro, où l'entropie ne peut qu'augmenter, et le monde à petite échelle, où ce n'est pas le cas. Certains transistors informatiques sont suffisamment petits pour exister entre ces échelles macro et micro.

"Nous étendons la théorie informatique, qui était à l'origine motivé par des systèmes du monde réel, à d'autres aspects de ces systèmes auxquels il n'avait même jamais pensé avant, " dit Wolpert.

La théorie pourrait conduire à des avancées techniques qui permettraient de refroidir, des machines plus puissantes, comme des ordinateurs exascale et même de minuscules robots d'essaim. Cela pourrait également avoir un impact sur la durabilité de la technologie informatique.

"Les ordinateurs utilisent maintenant une fraction non négligeable de l'énergie dans les pays du premier monde, " dit Grochow. " Étant donné que l'informatique va continuer à se développer, réduire l'énergie qu'ils consomment est extrêmement important pour réduire notre empreinte énergétique globale."