p Não há dúvida de que a revolução da tecnologia da informação melhorou nossas vidas. Mas, a menos que encontremos uma nova forma de tecnologia eletrônica que use menos energia, a computação ficará limitada por uma "crise de energia" dentro de décadas. p Mesmo os eventos mais comuns em nossa vida diária - fazer uma ligação, enviar uma mensagem de texto ou verificar um e-mail - use o poder da computação. Algumas tarefas, como assistir a vídeos, requerem muito processamento, e assim consome muita energia.

p Por causa da energia necessária para alimentar o massivo, centros de dados do tamanho de fábrica e redes que conectam a Internet, a computação já consome 5% da eletricidade global. E essa carga de eletricidade está dobrando a cada década.

p Felizmente, existem novas áreas da física que prometem uma redução maciça do uso de energia.

p O fim da Lei de Moore

p Os humanos têm uma demanda insaciável por poder de computação.

p Smartphones, por exemplo, tornaram-se um dos dispositivos mais importantes de nossas vidas. Nós os usamos para acessar as previsões do tempo, traçar a melhor rota através do tráfego, e assista à última temporada de nossas séries favoritas.

p E esperamos que nossos smartphones se tornem ainda mais poderosos no futuro. Queremos que eles traduzam o idioma em tempo real, nos transporta para novos locais por meio de realidade virtual, e nos conectar à "Internet das Coisas".

p A computação necessária para tornar esses recursos uma realidade não acontece de fato em nossos telefones. Em vez disso, é habilitado por uma enorme rede de torres de telefonia móvel, Redes Wi-Fi e massivas, centros de dados de tamanho de fábrica, conhecidos como "farms de servidores".

p Nas últimas cinco décadas, nossa necessidade crescente de computação foi amplamente satisfeita por melhorias incrementais no sistema convencional, tecnologia de computação baseada em silício:cada vez menor, cada vez mais rápido, chips cada vez mais eficientes. Nós nos referimos a esse encolhimento constante de componentes de silício como "Lei de Moore".

p A lei de Moore leva o nome do cofundador da Intel Gordon Moore, que observou que:"o número de transistores em um chip dobra a cada ano, enquanto os custos caem pela metade."

p Mas à medida que atingimos os limites da física e economia básicas, A lei de Moore está diminuindo. Podemos ver o fim dos ganhos de eficiência usando a corrente, tecnologia baseada em silício já em 2020.

p Nossa crescente demanda por capacidade de computação deve ser atendida com ganhos em eficiência de computação, caso contrário, a revolução da informação diminuirá devido à fome de poder.

p Alcançar isso de forma sustentável significa encontrar uma nova tecnologia que usa menos energia em computação. Isso é conhecido como uma solução "além do CMOS", na medida em que requer uma mudança radical da tecnologia CMOS (semicondutor de óxido de metal complementar) baseada em silício, que tem sido a espinha dorsal da computação nas últimas cinco décadas.

p Por que a computação consome energia?

p O processamento de informações consome energia. Ao usar um dispositivo eletrônico para assistir TV, escutar musica, modelar o clima ou qualquer outra tarefa que exija que as informações sejam processadas, existem milhões e milhões de cálculos binários em segundo plano. Existem zeros e uns sendo invertidos, adicionado, multiplicado e dividido em velocidades incríveis.

p O fato de um microprocessador poder realizar esses cálculos bilhões de vezes por segundo é exatamente a razão pela qual os computadores revolucionaram nossas vidas.

p Mas o processamento de informações não é gratuito. A física nos diz que toda vez que realizamos uma operação - por exemplo, somando dois números juntos - devemos pagar um custo de energia.

p E o custo de fazer cálculos não é o único custo de energia para operar um computador. Na verdade, qualquer pessoa que já tenha usado um laptop equilibrado nas pernas pode atestar que a maior parte da energia é convertida em calor. Esse calor vem da resistência que a eletricidade encontra quando flui através de um material.

p É essa energia desperdiçada devido à resistência elétrica que os pesquisadores esperam minimizar.

p Avanços recentes apontam para soluções

p Operar um computador sempre consumirá alguma energia, mas estamos muito longe (várias ordens de magnitude) de computadores que são tão eficientes quanto permitem as leis da física. Vários avanços recentes nos dão esperança de soluções inteiramente novas para este problema por meio de novos materiais e novos conceitos.

p Materiais muito finos

p Um recente passo à frente na física e na ciência dos materiais é ser capaz de construir e controlar materiais com apenas um ou alguns átomos de espessura. Quando um material forma uma camada tão fina, e o movimento dos elétrons está confinado a esta folha, é possível que a eletricidade flua sem resistência.

p Há uma variedade de materiais diferentes que mostram essa propriedade (ou podem mostrá-la). Nossa pesquisa no Centro ARC para Tecnologias Eletrônicas de Baixa Energia do Futuro (FLEET) está focada no estudo desses materiais.

p O estudo das formas

p Há também um empolgante salto conceitual que nos ajuda a entender essa propriedade do fluxo de eletricidade sem resistência.

p Essa ideia vem de um ramo da matemática chamado "topologia". A topologia nos diz como comparar as formas:o que as torna iguais e o que as torna diferentes.

p Imagem de uma xícara de café feita de argila macia. Você pode espremer e apertar lentamente essa forma até que se pareça com um donut. O orifício na alça do copo torna-se o orifício no donut, e o resto do copo é espremido para fazer parte do donut.

p A topologia nos diz que donuts e xícaras de café são equivalentes porque podemos deformar um no outro sem cortá-lo, fazendo buracos nele, ou juntando peças.

p Acontece que as estranhas regras que governam como a eletricidade flui em camadas finas podem ser entendidas em termos de topologia. Essa percepção foi o foco do Prêmio Nobel de 2016, e está conduzindo uma enorme quantidade de pesquisas atuais em física e engenharia.

p Queremos aproveitar esses novos materiais e percepções para desenvolver a próxima geração de dispositivos eletrônicos de baixo consumo de energia, que será baseado na ciência topológica para permitir que a eletricidade flua com resistência mínima.

p Este trabalho cria a possibilidade de uma continuação sustentável da revolução da TI - sem o enorme custo de energia. p Este artigo foi republicado de The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.