No espaço dentro de um chip de computador, onde a eletricidade se torna informação, existe uma fronteira científica. A mesma fronteira pode ser encontrada dentro de uma célula, onde a informação assume a forma de concentrações químicas. Avanços recentes no campo da física estatística do não-equilíbrio revelaram vastas áreas de pesquisa escondidas na "termodinâmica da computação". Avanços neste campo, que envolve elementos de física estatística, Ciência da Computação, biologia celular, e possivelmente até neurobiologia, pode ter consequências de longo alcance sobre como entendemos, e engenheiro, nossos computadores. Para dar o pontapé inicial nesta linha de pesquisa, Os cientistas do Santa Fe Institute e seus colaboradores lançaram um wiki online para colaboração. Esta semana, eles também publicaram um artigo que resume os avanços recentes e questões em aberto que pertencem à termodinâmica e computação.

"As restrições termodinâmicas em todos os sistemas que realizam computação fornecem grandes desafios para o design moderno dos computadores, "os pesquisadores escrevem no parágrafo de abertura do wiki, projetado para "servir como um centro e um ponto de encontro para todos os interessados." Eles continuam descrevendo a magnitude da energia consumida por computadores e os desafios de engenharia que resultam quando uma parte dessa energia é perdida como calor residual. O wiki também compara cálculos naturais, realizada por células ou cérebros humanos, para cálculos artificiais, que são marcadamente menos eficientes.

A pesquisa parte do trabalho de Rolf Landauer, que em 1961 postulou que, para apagar um único bit de informação - 1 ou 0 - uma certa quantidade de energia deve ser perdida na forma de calor. O insight de Landauer é bem conhecido dos cientistas da computação e levou a uma máxima informal para evitar o apagamento de bits sempre que possível.

Indo além do custo de Landauer, o novo artigo tenta transmitir que "há mais na termodinâmica da computação do que apenas eliminação de bits, "diz o coautor Joshua Grochow, da University of Colorado Boulder. O artigo, publicado no boletim informativo de ciência da computação SIGACT News, apresenta fatores adicionais que podem afetar como a energia flui para dentro e para fora dos átomos durante um cálculo.

Para alcançar outros cientistas que possam estar interessados ​​em buscar uma termodinâmica da computação, Grochow e o coautor David Wolpert, do Santa Fe Institute, catalogam algumas das novas ferramentas da física estatística que se aplicam a sistemas sem equilíbrio - como computadores.

"Parte do que estamos tentando fazer com este artigo é empacotar as lições da estatística de não-equilíbrio [física] nos últimos 20 anos de uma forma que deixe claro quais são as novas questões computacionais, "Grochow explica. Ele espera que, ao apresentar o que agora se sabe sobre a relação entre a termodinâmica e os processos microscópicos que ocorrem durante a computação, o artigo "atrairá cientistas da computação a trabalhar em uma nova geração de questões".

Uma dessas questões envolve como "sintonizar" termodinamicamente os computadores para as entradas que eles têm maior probabilidade de encontrar. Grochow dá o exemplo de uma calculadora termodinamicamente otimizada para entradas aleatórias de strings de 32 bits (equivalente a um valor decimal de 10 dígitos). A maioria dos usuários humanos não insere entradas que exijam qualquer um dos bits superiores. Se a calculadora fosse reprojetada para "esperar" menos de 32 bits, desperdiçaria menos energia na forma de calor?

Além da precisão de um cálculo, Grochow diz que a quantidade de memória que um cálculo requer e quanto tempo o cálculo leva são outros aspectos que podem afetar sua eficiência termodinâmica.

Wolpert espera que sua pesquisa se expanda para incorporar outras descobertas recentes da física estatística, como a equação de Jarzinski. Esta equação fornece uma ponte probabilística entre o mundo da macroescala, onde a entropia só pode aumentar, e o mundo em microescala, onde isso não acontece. Alguns transistores de computador são pequenos o suficiente para existir entre essas escalas macro e micro.

"Estamos estendendo a teoria da ciência da computação, que foi originalmente motivado por sistemas do mundo real, a outros aspectos desses sistemas que nunca soube pensar antes, "diz Wolpert.

A teoria pode levar a avanços de engenharia que permitiriam o cooler, máquinas mais poderosas, como computadores exascale e até mesmo minúsculos robôs de enxame. Também pode impactar a sustentabilidade da tecnologia de computação.

"Os computadores agora usam uma fração não trivial da energia nos países do primeiro mundo, "diz Grochow." Dado que a computação vai continuar a crescer, reduzir a energia que eles consomem é extremamente importante para reduzir nossa pegada geral de energia. "