Teoria termodinâmica da computação mostra como computar gastando menos energia

Redação do Site Inovação Tecnológica - 25/06/2024

Para consumir menos, os computadores terão que vencer o Limite de Landauer.
[Imagem: Jan Klaers]

Custo energético da computação

Todo sistema de computação, seja biológico ou ou sintético, desde células até cérebros e computadores, tem um custo. O assunto aqui não é o preço, que geralmente vem bem claro em uma etiqueta, mas um custo de energia ligado ao trabalho necessário para executar um programa e ao calor dissipado no processo.

Há décadas os cientistas vêm desenvolvendo uma teoria termodinâmica da computação, tipicamente calculando o custo da energia usando cálculos básicos abstratos - como o apagamento de um único bit. Mas essas situações hipotéticas não são facilmente transferíveis para cenários de computação do mundo real - essa linha de pesquisas se baseia no trabalho de Rolf Landauer, que aplicou as leis da termodinâmica à informação, e no trabalho de Claude Shannon, considerado o inventor do bit digital.

Agora, um grupo de pesquisadores da Espanha, EUA e Itália conseguiu finalmente expandir a moderna teoria da termodinâmica da computação ao combinar abordagens da física estatística e da ciência da computação.

Gonzalo Manzano e seus colegas introduziram equações matemáticas que revelam o custo mínimo e máximo de energia previsto de processos computacionais que dependem da aleatoriedade, criando uma ferramenta poderosa para analisar e comparar os computadores modernos em suas diversas arquiteturas, da computação eletrônica atual à computação quântica, incluindo arquiteturas como computação neuromórfica, computação na memória, computação orientada a eventos, computação analógica etc.

A estrutura oferece informações totalmente novas sobre como calcular os limites de custo de energia em processos computacionais com um final imprevisível. Por exemplo: um algoritmo que procura o nome ou sobrenome de uma pessoa em um banco de dados pode parar de funcionar se encontrar algum deles, mas não sabemos qual deles foi encontrado.

E há outros exemplos: Um simulador de lançamento de moeda pode ser instruído a parar de lançar quando atingir 10 caras; ou, em biologia, uma célula pode parar de produzir uma proteína quando provoca uma determinada reação em outra célula. Os "tempos de parada" desses processos - o tempo necessário para atingir a meta pela primeira vez - podem variar de tentativa para tentativa.

O novo conjunto de equações oferece uma forma simples de calcular os limites inferiores do custo energético dessas situações.

Ainda não compreendemos totalmente a incrível eficiência energética da vida.
[Imagem: Zighuo.he/Wikimedia Commons]

Como computar gastando menos

Em linhas gerais, esta pesquisa criou um novo caminho para encontrar a energia mais baixa necessária para a computação em qualquer sistema, não importando como ele seja implementado. "Isso está expondo um vasto conjunto novo de questões," disse o professor David Wolpert.

E podem ser questões muito práticas, como apontar novas formas de tornar a computação mais eficiente em termos energéticos. A Fundação Nacional de Ciências dos EUA estimou recentemente que os computadores utilizam entre 5% e 9% da energia gerada globalmente; mas, com as atuais taxas de crescimento, isso poderá atingir 20% até 2030.

Trabalhos anteriores indicavam que os computadores modernos são extremamente ineficientes: Sistemas biológicos, em contraste, seriam cerca de 100.000 vezes mais eficientes em termos energéticos. Assim, uma das principais motivações para uma teoria termodinâmica geral da computação é tanto checar esses cálculos com mais precisão, quanto encontrar novas maneiras de reduzir o consumo de energia das máquinas do mundo real.

Por exemplo, uma melhor compreensão de como os algoritmos e os componentes dos computadores utilizam energia para realizar determinadas tarefas pode apontar para arquiteturas de chips de computador mais eficientes. No momento, ainda não sabemos o melhor caminho para chips físicos que possam realizar tarefas computacionais usando menos energia.

"Esse tipo de técnica pode fornecer uma lanterna na escuridão," disse Wolpert.

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