Processadores vencerão Limite de Landauer para consumir menos

Redação do Site Inovação Tecnológica - 11/02/2019

Operações de computador produzem calor, pontos quentes que influenciam outras partes do circuito. Com uma temporização inteligente, o gasto de energia pode ser reduzido.
[Imagem: Jan Klaers]

Processando sem Landauer

A miniaturização tem garantido que a energia necessária para executar cada cálculo computacional venha diminuindo ano a ano. Mas, como a pressão por mais miniaturização continua, logo os aparelhos digitais atingirão o limite teórico para a energia mínima necessária para uma única operação lógica.

Em 1961, muito antes de os computadores se disseminarem, o físico alemão Rolf Landauer (1927-1999), que trabalhava na IBM, publicou o artigo que o tornaria famoso. Seu estudo mostrava a quantidade mínima de energia necessária para apagar um bit de informação, isto é, passá-lo do estado '1' para o estado '0'.

Esta quantidade mínima de energia, de acordo com o "Princípio do Apagamento de Landauer", é dependente da temperatura, o que conecta as leis da termodinâmica com as da teoria da informação. Muitos anos depois, em 2012, finalmente experimentos confirmaram o princípio de Landauer.

Para a geração atual de computadores esse limite não incomoda porque o consumo típico de energia de uma operação lógica ainda é cerca de mil vezes maior do que ele. Mas isso certamente mudará nas próximas décadas.

Será então que a computação atingirá um limite fundamental?

Jan Klaers, da Universidade de Twente, na Holanda, garante que não há motivo para pânico. Ele propõe vencer o Limite de Landauer fazendo um gerenciamento criterioso para sincronizar a operação do processador e a temperatura. Desta forma, será possível diminuir a energia necessária para o apagamento de cada bit, levando-o até mesmo abaixo do limite de Landauer.

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Estados térmicos espremidos

Quando se observa as muitas operações lógicas que ocorrem em um processador, o perfil de temperatura é complexo. Por exemplo, quando um bit muda de estado em uma determinada porta lógica, a mudança de temperatura será sentida também nas portas vizinhas.

Apesar da complexidade, Klaers notou que há um elo entre a temperatura e o consumo de energia do processador: Ambos têm o mesmo ritmo que o relógio do processador. Estes chamados "estados térmicos espremidos" mostram que, em determinados momentos, a temperatura e o gasto de energia são menores para as mesmas operações.

Logo, sincronizar as operações lógicas com esses momentos - operando em uma temperatura efetivamente mais fria - levará a um consumo de energia menor do que o limite de Landauer.

Klaers chegou a esta conclusão analisando um modelo mecânico minimalista, semelhante ao que Landauer usou para sua teoria, representando uma memória de um bit.

Agora será necessário demonstrar que o mesmo resultado pode ser alcançado em sistemas de computação reais. A expectativa é que isso não leve os mais de 50 anos que demorou para a demonstração prática do Princípio de Landauer, uma vez que já há pesquisas tentando explorar o Limite de Landauer para resfriar os computadores.

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