O lucrare din 2023 a demonstrat posibilitatea de calcul cu energie ultra-scăzută
TL;DR: Cercetarea atât în biocomputing, cât și în cea neuromorfă poate deține cheia pentru o mai bună eficiență energetică a computerului. Inspirându-ne din sistemele eficiente ale naturii, cum ar fi creierul uman, putem fi capabili să răspundem cerințelor tot mai mari de energie ale lumii noastre din ce în ce mai digitale.
Pe măsură ce computerele consumă din ce în ce mai multă energie electrică, oamenii de știință apelează la o inspirație improbabilă pentru o mai mare durabilitate: celula biologică umilă. Această abordare, cunoscută sub numele de calcul biologic, ar putea reduce consumul de energie în procesele de calcul.
Un articol recent din The Conversation a evidențiat acest concept, care se bazează pe sistemele eficiente ale naturii pentru a face față uneia dintre cele mai presante provocări ale calculului modern. Pe măsură ce centrele de date și dispozitivele de uz casnic înghit cu aproximativ 3% din cererea globală de electricitate, cu inteligența artificială gata să crească această cifră, nevoia de alternative eficiente din punct de vedere energetic nu a fost niciodată mai urgentă.
Conceptul de calcul biologic își are rădăcinile într-un principiu introdus de omul de știință IBM Rolf Landauer în 1961. Limita Landauer afirmă că o singură sarcină de calcul, cum ar fi setarea unui bit la zero sau la unu, necesită o cheltuială minimă de energie de aproximativ 10⁻²¹ jouli. (J). Deși această sumă pare neglijabilă, ea devine substanțială atunci când luăm în considerare miliardele de operațiuni pe care le efectuează computerele.
Operarea calculatoarelor la limita Landauer ar face, teoretic, consumul de energie electrică pentru calcul și gestionarea căldurii fără importanță. Cu toate acestea, există o captură semnificativă: pentru a atinge acest nivel de eficiență, operațiunile ar trebui să fie efectuate infinit de încet. În practică, calculele mai rapide duc inevitabil la un consum crescut de energie.
Procesoarele actuale funcționează la viteze de ceas de miliarde de cicluri pe secundă, folosind aproximativ 10⁻¹¹J pe bit – de aproximativ zece miliarde de ori mai mult decât limita Landauer. Această operațiune de mare viteză este rezultatul faptului că computerele funcționează în serie, executând o operațiune la un moment dat.
Pentru a aborda această dilemă energetică, cercetătorii explorează un design de computer fundamental diferit, bazat pe procesare masiv paralelă. În loc să se bazeze pe un singur procesor „iepure” de mare viteză, această abordare propune utilizarea a miliarde de procesoare „tortoise” mai lente, fiecare luând o secundă întreagă pentru a-și îndeplini sarcina. Acest lucru ar putea permite teoretic computerelor să funcționeze în apropierea limitei Landauer, folosind ordine de mărime mai puțină energie decât sistemele actuale.
O implementare promițătoare a acestei idei este biocomputația bazată pe rețea, care valorifică puterea proteinelor motorii biologice – mașinile la scară nanometrică proprii ale naturii. Acest sistem implică codificarea sarcinilor de calcul în labirinturi nanofabricate de canale, de obicei realizate din modele de polimeri depuse pe plachete de siliciu. Biofilamentele, alimentate de proteine motorii, explorează toate căile posibile prin labirint simultan.
Fiecare biofilament are doar câțiva nanometri în diametru și aproximativ un micrometru lungime, acționând ca un „computer” individual prin codificarea informațiilor prin poziția sa spațială în labirint. Această arhitectură este potrivită în special pentru rezolvarea problemelor combinatorii, care sunt solicitante din punct de vedere computațional pentru calculatoarele seriale.
Experimentele au arătat că astfel de biocalculatoare necesită între 1.000 și 10.000 de ori mai puțină energie per calcul decât procesoarele electronice. Această eficiență provine din natura evoluată a proteinelor motorii biologice, care folosesc doar energia necesară pentru a-și îndeplini sarcinile la viteza necesară – de obicei câteva sute de pași pe secundă, de un milion de ori mai lenți decât tranzistoarele.
Recent s-au înregistrat progrese semnificative în acest domeniu. Heiner Linke, profesor de nanofizică la Universitatea Lund și autor al articolului din The Conversation, a fost coautor al unei lucrări din 2023 care a demonstrat posibilitatea de a opera un computer în apropierea limitei Landauer. Această descoperire ne aduce mai aproape de realizarea potențialului de calcul cu energie ultra-scăzută.
În timp ce conceptul de biocomputație este promițător, rămân provocări în extinderea acestor sisteme pentru a concura cu computerele electronice în ceea ce privește viteza și puterea de calcul. Cercetătorii trebuie să depășească obstacole, cum ar fi controlul precis al biofilamentelor, reducerea ratelor de eroare și integrarea acestor sisteme cu tehnologia actuală.
Dacă aceste obstacole pot fi depășite, procesoarele rezultate ar putea rezolva anumite tipuri de probleme de calcul provocatoare cu un cost energetic redus drastic. Această descoperire ar putea avea implicații de anvergură pentru viitorul computerelor și impactul asupra mediului.
Ca o abordare alternativă, cercetătorii explorează, de asemenea, calcularea neuromorfă, care încearcă să imite arhitectura extrem de interconectată a creierului uman. În timp ce elementele fizice de bază ale creierului ar putea să nu fie în mod inerent mai eficiente din punct de vedere energetic decât tranzistoarele, structura și funcționarea sa unică oferă posibilități interesante pentru calcularea eficientă din punct de vedere energetic.
