Teknik CPU Revolusioner Mengurangi Produksi Panas dengan Menyinkronkan Tugas dengan Osilasi Suhu
Metode baru ini memungkinkan CPU modern melakukan komputasi dengan energi hingga 1.000 kali lebih sedikit dibandingkan batas Landauer (0,0172 elektronvolt).
Teknik ini bekerja dengan menyinkronkan operasi prosesor dengan osilasi suhunya.
Dalam elektronika digital, pengurangan energi adalah salah satu pertimbangan desain utama saat ini. Seiring berkembangnya unit pemrosesan yang semakin kecil, tegangan yang diperlukan per komputasi menurun. Akhirnya, transistor akan mencapai batas teoretis untuk tegangan minimum yang diperlukan untuk melakukan satu tugas.
Baru-baru ini, seorang profesor, Jan Klaers, dari Universitas Twente, Belanda, mengusulkan 'keadaan termal terperas' yang dapat digunakan untuk melewati batas teoretis ini. Keadaan ini memaksa unit pemrosesan untuk secara efektif bekerja pada suhu yang lebih rendah sambil mengonsumsi energi yang lebih sedikit.
Teknologi komputer yang ada dapat memanfaatkan keadaan yang secara alami terjadi di lingkungan termal prosesor. Di masa depan, keadaan terperas dapat dieksploitasi untuk mengembangkan perangkat elektronik yang lebih hemat energi.
Jumlah Energi yang Diperlukan untuk Menghapus Satu Bit
Pada tahun 1961, seorang fisikawan Jerman-Amerika, Rolf Landauer, mengembangkan model termodinamika bit digital saat bekerja di IBM. Menurut model ini, setiap operasi logis yang tidak dapat dibalik yang mengubah data, seperti mereset atau menghapus satu bit memori, meningkatkan entropi dan sejumlah energi yang sebanding dissiptasikan sebagai panas.
Dia menghitung energi terendah yang mungkin diperlukan untuk menghapus atau mereset satu bit (dari keadaan 1 ke keadaan 0), dan ternyata adalah 0,7*k(B)*T, di mana k(B) adalah konstanta Boltzmann dan T adalah suhu lingkungan.
Prinsip ini juga relevan untuk informasi kuantum, komputasi kuantum, dan komputasi yang dapat dibalik. Pada tahun 2012, para peneliti melakukan eksperimen untuk mengonfirmasi prinsip ini.
Namun, prinsip ini hanya bekerja jika sistem berada dalam keseimbangan termal. Jan Klaers sekarang telah membangun pendekatan baru di mana bit tetap dalam keseimbangan dan 'kolam panas' (lingkungan sekitar) diusir dari keseimbangan dengan secara termal menyusutkan kolam.
Referensi: Phys. Rev. Lett. | doi:10.1103/PhysRevLett.122.040602 | APS Physics
Istilah 'penyusutan' merujuk pada fluktuasi (yang terkait dengan kebisingan) yang tidak merata menyebar di seluruh dimensi sistem yang berbeda. Kolam berosilasi antara 2 suhu dalam fase yang disusutkan: satu di bawah dan satu di atas suhu rata-rata. Ini berarti kolam bisa dingin atau panas pada suatu momen tertentu.
Jaringan bit yang terhubung dalam rangkaian komputer | Melakukan operasi pada bit ini membutuhkan energi yang akhirnya dissiptasikan sebagai panas (merah) | Kredit: J. Klaers/Universitas Twente
Untuk menghapus/reset bit dengan energi minimum yang mungkin, diperlukan untuk melakukan operasi ketika kolam dalam keadaan dingin. Dengan demikian, seseorang dapat menyinkronkan operasi dengan osilasi suhu untuk mengurangi biaya energi untuk mereset bit. Faktanya, Klaers menemukan bahwa tidak ada batas bawah pada biaya energi: semakin Anda menyusutkan kolam, semakin rendah biaya energinya.
Bisakah Kita Menerapkan Teknik Ini pada Komputer yang Ada?
Menurut peneliti, metode ini dapat digunakan untuk bit komputer saat ini, dan memiliki potensi untuk memberikan hemat energi 1.000 kali lebih banyak dibandingkan batas Landauer.
Ada keuntungan besar dalam menggunakan teknik ini dalam teknologi komputer modern: lingkungan termal yang disusutkan datang secara gratis. Prosesor modern melakukan komputasi dengan menghapus atau mengalihkan jutaan bit, dan setiap operasi melepaskan sejumlah panas tertentu.
Karena emisi panas terjadi pada frekuensi yang ditentukan oleh jam CPU, suhu kolam berosilasi. Meskipun osilasi tersebut memiliki pola yang rumit, perilaku tersebut adalah bentuk penyusutan.
Baca: Metode Baru untuk Meningkatkan Performa Komputer Kuantum
Insinyur dapat mengonfigurasi penyusutan ini dengan cara bit selalu diproses ketika berada dalam keadaan dingin. Dengan cara ini, komputasi yang didorong oleh osilasi termal akan mengonsumsi daya lebih sedikit, namun berapa banyak lebih sedikit masih perlu diteliti.
