Каждая задача, которую мы выполняем на компьютере — будь то обработка числовых данных, просмотр видео или набор текста статьи — требует взаимодействия различных компонентов машины друг с другом. «Коммуникация имеет решающее значение для любых вычислений», — говорит бывший стипендиат SFI, аспирант Абхишек Ядав из Университета Нью-Мексико.
Но ученые до конца не понимают, сколько энергии вычислительные устройства тратят на коммуникацию. В течение последнего десятилетия профессор Дэвид Вольперт из SFI возглавлял исследования, направленные на раскрытие принципов, лежащих в основе термодинамических издержек вычислений .
Вольперт отмечает, что определение «термодинамических пределов стоимости связи» — это упущенный из виду, но крайне важный вопрос в этой области, поскольку он применим не только к компьютерам, но и к системам связи в целом.
«Они — всё, что поддерживает современное общество», — говорит он. Новое исследование раскрывает информацию о стоимости энергии В статье, опубликованной в журнале Physical Review Research в соавторстве с Ядавом и Вольпертом, проливается свет на неизбежное рассеивание тепла, происходящее при передаче информации по системе, что ставит под сомнение ранее существовавшее мнение о том, что в принципе коммуникация не влечет за собой энергетических затрат.
Для проведения исследования ученые использовали и объединили принципы информатики, теории связи и стохастической термодинамики — раздела статистической физики, изучающего реальные неравновесные системы, включая смартфоны и ноутбуки.
Понимание теплоотдачи в каналах Используя логическую абстракцию типовых каналов связи, исследователи определили минимальное количество тепла, которое система должна рассеивать для передачи одной единицы информации.
Эта абстракция может применяться к любому каналу связи — искусственному (например, оптический кабель) или биологическому (например, нейрон, посылающий сигнал в мозг).
В реальных каналах связи всегда присутствует некоторый шум, который может мешать передаче информации, и разработанная Ядавом и Вольпертом модель показывает, что минимальное тепловыделение как минимум равно количеству полезной информации — технически называемой взаимной информацией — которая фильтруется сквозь шум канала.
Кодирование, декодирование и их энергетические компромиссы Затем они использовали еще одну широко применимую абстракцию того, как современные компьютеры выполняют вычисления, чтобы вывести минимальные термодинамические затраты, связанные с кодированием и декодированием.
Этапы кодирования и декодирования обеспечивают надежную передачу сообщений за счет снижения уровня шума в канале.
В ходе исследования ученые получили важное открытие: повышение точности передачи данных за счет улучшения алгоритмов кодирования и декодирования происходит ценой увеличения тепловыделения в системе.
Последствия для будущих технологий Выявление неизбежных энергетических затрат на передачу информации по каналам связи может помочь в создании энергоэффективных систем.
Ядав считает, что архитектура фон Неймана, используемая в современных компьютерах, сопряжена со значительными энергетическими затратами, связанными с обменом данными между центральным процессором и памятью.
«Принципы, которые мы излагаем, могут послужить источником вдохновения для будущей компьютерной архитектуры», — говорит он.
Поскольку эти энергетические затраты относятся ко всем каналам связи, данная работа открывает потенциальный путь для исследователей к углублению понимания различных энергоемких сложных систем, где связь имеет решающее значение, от биологических нейронов до искусственных логических схем.
Несмотря на то, что мозг сжигает 20% калорий, потребляемых организмом, он использует энергию гораздо эффективнее, чем искусственные компьютеры, говорит Ядав.
«Поэтому было бы интересно посмотреть, как естественные вычислительные системы, такие как мозг, справляются с издержками, связанными с коммуникацией».
Рубрика: Технологии. Читать весь текст на android-robot.com.