Enerji tasarruflu bilgisayar sistemleri bilgisayarları daha verimli hale getirse de bilgiyi işlemek için çok fazla enerji gerekiyor ve fizikçilerin tahmin ettiği gibi bu sistemlerin verimliliğini sonsuza kadar artıramayız. On dokuzuncu yüzyılda, buhar motorları daha yaygın hale geldikçe, bunların nasıl geliştirileceği sorusu ortaya çıktı. Bu makinelerin incelenmesinden doğan termodinamik fizik teorisinin çok etkili bir yaklaşım olduğu kanıtlanmıştır ve bugün motorların enerji kullanımının optimize edilmesinde anahtar kavram olmaya devam etmektedir.
belirleyici faktörler
Günümüz bilgi çağında fizikçiler ve mühendisler termodinamik teoriyi hemen hemen her alanda kullanmaktadır. Görünüşe göre bilgisayar performansının ana belirleyicisi hız veya kullanılan çip sayısından çok güç. Zürih’teki İsviçre Federal Teknoloji Enstitüsü’nde (ETH) teorik fizik profesörü ve kuantum bilgi teorisi araştırma grubu başkanı Renato Renner’a göre, bir bilgi işlem merkezinin performansı ne kadar ısının azaltılabileceğine bağlı. Bileşenleri çalışma sıcaklığı sınırları içinde tutmak için, bilgisayar bileşenleri tarafından üretilen atık ısıyı gidermek için sistem soğutması gereklidir. CPU’lar, yonga setleri, grafik kartları ve sabit sürücüler gibi ısıya duyarlı bileşenler aşırı ısındığında geçici veya kalıcı arızalara neden olabilir. Kısacası, bilgi işlemenin geleceğini belirleyen ana faktörler, bilgi işlemcilerin yetenekleri değil, büyük miktarda ısı üreten aşırı güç kullanımı ve buna bağlı maliyetlerdir. Bilgisayarların güç tüketimi diğer alanlara da büyük bir maliyet yükü getirmektedir.
Termodinamik açısından süreçleri mümkün olduğunca verimli bir şekilde tamamlama sorunu, giderek daha acil bir sorun haline geliyor. Başka bir deyişle, cevabın aciliyeti “En az güçle en fazla hesaplamayı nasıl yapabiliriz?” soru bu Buhar makinelerinde, buzdolaplarında ve gaz türbinlerinde olduğu gibi, ilgili temel bir ilke vardır: Verimlilik süresiz olarak artırılabilir mi, yoksa temelde aşılamaz bir fiziksel sınır var mı?
Fiziksel sınırlar ve iki teorinin birleşimi
California Teknoloji Enstitüsü’nden (CALTECH) Renato Renner ve fizikçi Philippe Feist’e göre cevap açık: evet, böyle bir sınır var. Araştırmaları, bilgi işlem verimliliğinin süresiz olarak artırılamayacağını gösterdi. Bu sınır, yalnızca hava durumu tahminleri veya ödeme işlemlerinin muhasebesi için değil, örneğin biyoloji, beyin görüntüleme veya hücrelerdeki genetik bilgilerin işlenmesi için de geçerlidir. Araştırmacılar, çalışmaları aracılığıyla bu sınırlamayı oluşturan kritik faktörleri belirlediler.
Çalışmada ilk bakışta ilgisiz görünen iki teori, mekanik süreçlerde ısının dönüşümünü açıklayan termodinamik teorisi ve bilgi işleme ilkelerini ele alan bilgi işleme teorisidir. Hesaplamalı teori, termodinamikteki entropi tanımıyla örtüşen matematiksel bir yaklaşıma sahiptir. Bu nedenle entropi terimi hesaplama teorisinde de kullanılmaktadır. Reiner ve Fest’in araştırması, bu biçimsel benzerliğin ilk başta varsayıldığından daha derinlere indiğini gösteriyor.
sabit bir sınır yoktur
Bilgi işleme için etkinlik sınırı sabit değildir, ancak etkilenebilir. Sistem ne kadar iyi anlaşılırsa, yazılımı çip tasarımına o kadar doğru bir şekilde uyar ve bilgi işleme o kadar verimli olur. Günümüzün yüksek performanslı bilgisayarlarında yapılan da tam olarak budur. Renato Renner ve Philipp Feist’e göre, yakın gelecekte programcılar bilgi işlemenin termodinamiğini de hesaba katmak zorunda kalacaklar. Kritik faktör, hesaplama işlemlerinin sayısını azaltmak değil, mümkün olduğunca az enerji kullanan algoritmalar hazırlamak ve uygulamaktır.
Bilim adamları da bu konuda biyolojik sistemleri referans noktası olarak kullanabilirler. Çeşitli çalışmalar, kaslarımızın termodinamik açısından ne kadar verimli çalıştığını açıkça göstermiştir. Beynimizin sinyal işlemeyi nasıl gerçekleştirdiğini incelemek bu konuda önemli bilgiler sağlayabilir.
Optimuma yaklaşma sorunu
Aslında Renato Renner’ın bir kuantum fizikçisi olarak bu soruna odaklanması tesadüf değil. Son yıllarda geleceğin bilgisayarları olarak görülen kuantum bilgisayarların inşasıyla ilgili yeni bir araştırma alanı olan “kuantum termodinamiği” ortaya çıkmıştır. Kuantum bilgisayarların hesaplama yapmak için kullanacağı kübitlerin, kuantum bileşenleri arasındaki uyum kaybını geciktirmek için termodinamik limitlerine yakın çalışması gerektiği biliniyor. Bu fenomen, kuantum bilgisayar endüstrisinde büyük bir sorun teşkil ediyor. Bunun nedeni, kuantum mekaniğinin süperpozisyonların hesaplamada kullanılacak kadar uzun süre korunmasını önlemesidir.
kaynak:
– Philipp Feist, Renato Renner, “Kantitatif Süreçler için Temel İşçilik Maliyeti,” Phys. Rev. X 8, 021011, (2018).
— JMR Barondo, JM Horowitz, T Sagawa, “Bilginin Termodinamiği”, nat. fizik 11, 131 (2015).
yazar: Juni Saraoğlu’nu aç
Diğer gönderilerimize göz at
[wpcin-random-posts]