Les systèmes informatiques produisent beaucoup de chaleur. Les centres de données regorgent de ventilateurs de refroidissement bourdonnants, et même les smartphones peuvent chauffer en cas d'utilisation intensive. La réduction de la consommation d'énergie est l'un des principaux enjeux des technologies de l'information. Mais il y a une théorie, limite inférieure de refroidissement en fonction de la température, comme l'a déclaré Rolf Landauer dans les années 1960. Jan Klaers de l'UT montre maintenant qu'en chronométrant intelligemment l'interaction de la chaleur et des opérations logiques, il est possible d'aller encore plus bas que cette limite. Cette nouvelle théorie, Présenté dans Lettres d'examen physique , peut conduire à une électronique de plus en plus économe en énergie.

Bien avant l'introduction à grande échelle des systèmes informatiques, en 1961, Rolf Landauer (1927-1999) a publié son célèbre article sur la quantité minimale d'énergie nécessaire pour effacer une information, C'est, le faire passer de l'état "un" à l'état "zéro". Ce minimum, selon le principe d'effacement de Landauer, dépend de la température, et relie les lois de la thermodynamique et de la théorie de l'information.

Plusieurs années plus tard, en 2012, expériences publiées dans La nature a confirmé le principe. Pour la génération actuelle d'ordinateurs, cette limite inférieure n'est pas encore atteinte; la consommation d'énergie typique d'une opération logique est toujours d'environ 1, 000 fois plus élevé. Mais cela va certainement changer dans les décennies à venir. L'informatique atteindra-t-elle alors une limite fondamentale ? Dans son papier, Jan Klaers propose un moyen de réduire les coûts énergétiques en synchronisant intelligemment les opérations informatiques et la température. Avec cette technique, il sera possible d'abaisser l'énergie nécessaire à l'effacement en dessous de la limite Landauer.

Fonctionnement à froid

Compte tenu des nombreuses opérations logiques qui ont lieu dans un ordinateur, le profil de température est complexe. Si un bit change d'état à une certaine porte logique, le changement de température se produira dans les portes environnantes, également. Bien que complexe, la température et la consommation d'énergie ont le même rythme que l'horloge du microprocesseur. C'est ce qu'on appelle les états thermiques compressés, et ils peuvent être observés pendant le fonctionnement de l'ordinateur. Cela signifie qu'à certains moments, la température et les coûts énergétiques sont plus faibles pour les mêmes opérations. La synchronisation des opérations logiques avec ces moments où la température est effectivement plus froide conduira à une consommation d'énergie inférieure à la limite Landauer.

Klaers a analysé un modèle mécanique minimaliste représentant une mémoire à un bit ressemblant à celle utilisée par Landauer pour sa théorie. D'autres recherches devront montrer quels résultats peuvent être obtenus dans les systèmes informatiques réels.

Le Dr Jan Klaers est chercheur du groupe Systèmes photoniques complexes, partie de l'Institut MESA + de l'UT. Au sein du groupe, il a commencé sa propre direction de recherche dans le domaine de la thermodynamique quantique expérimentale.