Новая работа расширяет термодинамическую теорию вычислений

Новости сегодня - Новая работа расширяет термодинамическую теорию вычислений

Каждая вычислительная система, биологическая или синтетическая, от клеток до мозга и ноутбуков, имеет свою цену. Это не цена, которую легко определить, а стоимость энергии, связанная с работой, необходимой для запуска программы, и теплом, рассеиваемым в процессе.

Исследователи из Института Санта-Фе и других организаций потратили десятилетия на разработку термодинамической теории вычислений, но предыдущие работы по стоимости энергии были сосредоточены на базовых символьных вычислениях (например, стирании одного бита), которые нелегко перенести на менее предсказуемые вычисления. реальные вычислительные сценарии.

В статье , опубликованной в Physical Review X , квартет физиков и компьютерщиков расширяет современную теорию термодинамики вычислений. Объединив подходы статистической физики и информатики, исследователи представили математические уравнения, которые показывают минимальные и максимальные прогнозируемые энергетические затраты вычислительных процессов, зависящих от случайности, которая является мощным инструментом в современных компьютерах.

В частности, эта структура предлагает понимание того, как вычислять границы затрат энергии на вычислительные процессы с непредсказуемым завершением. Например: симулятору подбрасывания монеты может быть дано указание прекратить подбрасывание, как только он достигнет 10 орлов. В биологии клетка может перестать производить белок, как только она вызывает определенную реакцию со стороны другой клетки. «Время остановки» этих процессов, или время, необходимое для первого достижения цели, может варьироваться от испытания к испытанию. Новая структура предлагает простой способ расчета нижних границ стоимости энергии в таких ситуациях.

Исследование провели профессор SFI Дэвид Вулперт, Гонсало Мансано (Институт междисциплинарной физики и сложных систем, Испания), Эдгар Ролдан (Институт теоретической физики, Италия) и аспирант SFI Гюльсе Кардес (CU Boulder). Исследование открывает способ снизить энергетические затраты произвольных вычислительных процессов. Например: алгоритм, который ищет имя или фамилию человека в базе данных, может прекратить работу, если обнаружит хотя бы одно из них, но мы не знаем, какое из них он нашел.

«Многие вычислительные машины, если рассматривать их как динамические системы , обладают свойством: если вы перейдете из одного состояния в другое, вы действительно не сможете вернуться в исходное состояние всего за один шаг», — говорит Кардес.

Вулперт начал исследовать способы применения идей неравновесной статистической физики к теории вычислений около десяти лет назад. Компьютеры, по его словам, представляют собой систему, вышедшую из равновесия, а стохастическая термодинамика дает физикам возможность изучать неравновесные системы. «Если соединить эти два события вместе, то получится целый фейерверк в духе SFI», — говорит он.

В недавних исследованиях, которые заложили основу для этой новой статьи, Вулперт и его коллеги представили идею «стоимости несоответствия», или меры того, насколько стоимость вычисления превышает границу Ландауэра. Предложенный в 1961 году физиком Рольфом Ландауэром, этот предел определяет минимальное количество тепла, необходимое для изменения информации в компьютере. По словам Вулперта, знание стоимости несоответствия может помочь в разработке стратегий по снижению общей стоимости энергии в системе.

По ту сторону Атлантики соавторы Мансано и Ролдан разрабатывают инструмент из финансовой математики — теорию мартингала — для изучения термодинамического поведения небольших колеблющихся систем во время остановки. Ролдан и др. Книга др. «Мартингалы для физиков» помогла проложить путь к успешному применению такого мартингального подхода в термодинамике.

Вулперт, Кардес, Ролдан и Мансано в своей статье о PRX расширили эти инструменты от стохастической термодинамики до расчета стоимости несоответствия и общих вычислительных задач.

В совокупности их исследования указывают на новый путь поиска минимальной энергии, необходимой для вычислений в любой системе, независимо от того, как она реализована. «Это обнажает огромный набор новых проблем», — говорит Вулперт.

Это также может иметь очень практическое применение, указывая на новые способы сделать вычисления более энергоэффективными. По оценкам Национального научного фонда, компьютеры потребляют от 5% до 9% мировой генерируемой энергии, но при нынешних темпах роста эта цифра может достичь 20% к 2030 году.

Но предыдущая работа исследователей SFI предполагает, что современные компьютеры крайне неэффективны: биологические системы, напротив, примерно в 100 000 раз более энергоэффективны, чем компьютеры, созданные человеком. Вулперт говорит, что одной из основных мотиваций создания общей термодинамической теории вычислений является поиск новых способов снижения энергопотребления реальных машин.

Например, лучшее понимание того, как алгоритмы и устройства используют энергию для выполнения определенных задач, может привести к созданию более эффективных архитектур компьютерных чипов. По словам Вулперта, сейчас не существует четкого способа создания физических чипов, способных выполнять вычислительные задачи с меньшими затратами энергии.

«Подобные методы могут стать фонариком в темноте», — говорит он.

Новости партнеров: