Les chercheurs de l'Institut de Santa Fe et d'ailleurs ont passé des décennies à développer une théorie thermodynamique du calcul, mais les travaux antérieurs sur le coût de l'énergie se sont concentrés sur des calculs symboliques de base, comme l'effacement d'un seul bit, qui ne sont pas facilement transférables à des calculs moins prévisibles. scénarios informatiques du monde réel.

Dans un article publié dans Physical Review X , un quatuor de physiciens et d'informaticiens élargit la théorie moderne de la thermodynamique du calcul. En combinant des approches de la physique statistique et de l'informatique, les chercheurs introduisent des équations mathématiques qui révèlent le coût énergétique minimum et maximum prévu des processus informatiques qui dépendent du caractère aléatoire, qui est un outil puissant dans les ordinateurs modernes.

En particulier, le cadre offre un aperçu de la manière de calculer les limites de coût énergétique des processus informatiques dont la fin est imprévisible. Par exemple : un simulateur de lancer de pièces peut recevoir l'ordre d'arrêter de lancer une fois qu'il atteint 10 faces. En biologie, une cellule peut cesser de produire une protéine une fois qu’elle suscite une certaine réaction de la part d’une autre cellule. Les « temps d'arrêt » de ces processus, ou le temps nécessaire pour atteindre l'objectif pour la première fois, peuvent varier d'un essai à l'autre. Le nouveau cadre offre un moyen simple de calculer les limites inférieures du coût énergétique de ces situations.

La recherche a été menée par le professeur SFI David Wolpert, Gonzalo Manzano (Institut de physique interdisciplinaire et de systèmes complexes, Espagne), Édgar Roldán (Institut de physique théorique, Italie) et Gülce Kardes (CU Boulder), chercheur diplômé du SFI. L’étude découvre un moyen de réduire les coûts énergétiques des processus informatiques arbitraires. Par exemple :un algorithme qui recherche le prénom ou le nom d'une personne dans une base de données peut cesser de fonctionner s'il trouve l'un ou l'autre, mais nous ne savons pas lequel il a trouvé.

"De nombreuses machines informatiques, considérées comme des systèmes dynamiques, ont cette propriété qui fait que si vous passez d'un état à un autre, vous ne pouvez vraiment pas revenir à l'état d'origine en une seule étape", explique Kardes.

Wolpert a commencé à rechercher des moyens d'appliquer les idées de la physique statistique hors équilibre à la théorie du calcul il y a environ dix ans. Les ordinateurs, dit-il, sont un système hors d’équilibre, et la thermodynamique stochastique donne aux physiciens un moyen d’étudier les systèmes hors équilibre. "Si vous réunissiez ces deux éléments, il semblait que toutes sortes de feux d'artifice sortiraient, dans un esprit de type SFI", dit-il.

Dans des études récentes qui ont jeté les bases de ce nouvel article, Wolpert et ses collègues ont introduit l'idée d'un « coût de non-concordance », ou une mesure de la mesure dans laquelle le coût d'un calcul dépasse la limite de Landauer. Proposée en 1961 par le physicien Rolf Landauer, cette limite définit la quantité minimale de chaleur nécessaire pour modifier des informations dans un ordinateur. Selon Wolpert, connaître le coût de l'inadéquation pourrait éclairer les stratégies visant à réduire le coût énergétique global d'un système.

Outre-Atlantique, les co-auteurs Manzano et Roldán ont développé un outil issu des mathématiques de la finance – la théorie de la martingale – pour étudier le comportement thermodynamique des petits systèmes fluctuants aux temps d’arrêt. Roldán et. Les « Martingales pour les physiciens » d'al. ont contribué à ouvrir la voie à des applications réussies d'une telle approche martingale en thermodynamique.

Wolpert, Kardes, Roldán et Manzano étendent ces outils de la thermodynamique stochastique au calcul du coût d'inadéquation aux problèmes informatiques courants dans leur PRX. papier.

Ensemble, leurs recherches ouvrent la voie à une nouvelle voie permettant de trouver la plus faible énergie nécessaire au calcul dans n'importe quel système, quelle que soit la manière dont il est mis en œuvre. "Cela révèle un nouvel ensemble de problèmes", déclare Wolpert.

Il pourrait également avoir une application très pratique, en indiquant de nouvelles façons de rendre l'informatique plus économe en énergie. La National Science Foundation estime que les ordinateurs consomment entre 5 % et 9 % de l'énergie produite mondialement, mais aux taux de croissance actuels, cela pourrait atteindre 20 % d'ici 2030.

Mais des travaux antérieurs menés par des chercheurs du SFI suggèrent que les ordinateurs modernes sont totalement inefficaces :les systèmes biologiques, en revanche, sont environ 100 000 fois plus économes en énergie que les ordinateurs construits par l'homme. Wolpert dit que l'une des principales motivations d'une théorie thermodynamique générale du calcul est de trouver de nouveaux moyens de réduire la consommation d'énergie des machines du monde réel.

Par exemple, une meilleure compréhension de la manière dont les algorithmes et les appareils utilisent l’énergie pour effectuer certaines tâches pourrait conduire à des architectures de puces informatiques plus efficaces. À l'heure actuelle, dit Wolpert, il n'existe aucun moyen clair de fabriquer des puces physiques capables d'effectuer des tâches informatiques en utilisant moins d'énergie.

"Ce genre de techniques pourrait fournir une lampe de poche dans l'obscurité", dit-il.