计算机电路在这里被描述为一个比特相互连接的网络。在这些比特上执行操作需要能量，这些能量将转变为热量（红色）。一项新的研究从理论上表明，通过适当安排运行时间，可以降低能源成本。
随着计算机的体积持续缩小，每次计算所需的能量也逐渐减少。但在接下来的几十年里，数字设备将达到单一操作所需最小能量的理论极限。现在荷兰特温特大学的Jan Klaers提出了利用所谓的压缩放热状态来绕过这一极限的方法。这种状态将允许计算机在较低温下有效工作，这样操作将消耗更少的能量。Klaers认为，利用计算机热环境中自然产生的压缩态，现有的计算机技术就可以实现能源的节省。
1961年，当时在纽约的国际商业机器公司（IBM）托马斯·J·沃森（Thomas J.Watson）研究中心工作的Rolf Landauer开发了一个简单数字比特的热力学模型(后来的兰道尔原则)：一个粒子被限制在一条被屏障隔开的含有两个波峰（谷）的势能曲线上。在模型中，0态对应于左侧波谷中的粒子的位置，1态对应于右侧波谷中的位置。Landauer想知道清除这个比特需要多少能量，他把清除这个比特定义为将其重置为0状态。他想象着移除屏障，用活塞向左推动粒子，然后重新插入屏障。他指出，该过程的最低能源成本可能为0.7kBT，其中kB是玻尔兹曼常数，T是周围环境的温度。这种以热消散形式的清除能量是以比特为单位执行任何类型的数字操作所消耗的能量的特征。2012年，实验证实了兰道尔原则 (Landauer's Principle)。
系统处于热平衡状态是Landauer推导中的一个假设。最近，几个研究小组已经表明，当比特不平衡时，兰道尔极限（Landauer limit）可能不成立。Klaers开发了一种新策略，即让比特保持平衡，相反，通过热挤压“气缸”将周围环境（“蒸房”）推出平衡状态。一般来说，压缩意味着与噪声有关的波动在系统的各个维度上分布不均匀。例如，处于压缩状态的机械振荡器可能有相对较小的动量波动，但相应地会有大幅的位置波动。Klaers认为在挤压状态下，气缸在两个温度之间有效振荡：一个高于平均温度，另一个低于平均温度。Klaers说：“气缸是热的还是冷的，这取决于你看它的时刻。”
为了降低清除比特的能量消耗，应在气缸处在冷的状态时进行操作（就像活塞运动）。较冷的气缸意味着更冷的粒子，它对活塞施加的压力较小，因此驱动粒子到左侧所需的功就更少。通过将操作与温度振荡同步，Klaers发现清除一个比特的能源消耗并没有下限：振荡的次数越多，能源消耗越低。
Klaers认为, 这种技术即使对今天的计算机比特来说，也能节省能源, 因为计算机比特的能耗是兰道尔极限的1000倍。他说, 其优势在于, 在现代计算机系统中, 挤压的热环境 "是免费的"。当执行计算时, 数百万个位最终会被清除或以某种方式切换, 并且每个操作都会释放热量。这些热量排放的发生由cpu时钟频率决定, 因此气缸的温度会振荡。这些振荡有一个复杂的空间格局, 但行为仍然是一种挤压形式。Klaers认为, 工程师们或许能够控制这种挤压, 以便在比特更冷的时候对其进行操作。这样的热振荡感知计算应该消耗更少的能量, 但还需要研究到底省了多少。
德国斯图加特大学（the University of Stuttgart in Germany）的纳米物理学专家Eric Lutz说, 清除信息总是有代价的。"远离平衡, 就能选择如何支付这一代价," 他说。klaers 的方法在创造非平衡环境方面付出了代价。,来自加拿大西蒙·弗雷泽大学（Simon Fraser University in Canada）的John Bechhoefer说, 但是这样的环境是无处不在的。John Bechhoefer曾研究过用非平衡策略来打破兰道尔极限。他说: "我认为 klaers的工作有助于扩大我们对如何在非平衡世界中有效运作的理解。
作者：Michael Schirber
翻译：王麟涛
引进来源：Physical Review Letters
本文来自：环球科学
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