Computersysteme produzieren viel Wärme. Deshalb sind Rechenzentren voller Ventilatoren und Klimaanlagen, und selbst ein Smartphone kann ziemlich warm werden. Die Reduzierung des Energiebedarfs ist daher eine der größten Herausforderungen der Informationstechnologie. Allerdings hat dieses Ziel eine theoretische Untergrenze, die vom ehemaligen wissenschaftlichen Mitarbeiter von IBM, Rolf Landauer (1927-1999), bereits in den 1960er Jahren formuliert wurde. Diese untere Grenze ist temperaturabhängig. Der Forscher Jan Klaers vom Institut MESA+ der Universität Twente hat nun jedoch gezeigt, dass man unter die Landauer-Grenze gelangen kann, wenn man das Timing von Computeraktionen und Temperaturverlauf geschickt synchronisiert. Nach dieser neuen Theorie, die in den Physical Review Letters vorgestellt wurde, kann Elektronik viel energieeffizienter arbeiten.

Thermodynamik

Lange, bevor es große Computersysteme gab, im Jahr 1961, hat Landauer seinen berühmten Artikel über die Energie, die mindestens benötigt wird, um ein Bit von „1“ auf „0“ umzuschalten, veröffentlicht. Nach dem Landauer-Prinzip, das die Gesetze der Thermodynamik und der Informationstheorie verbindet, ist die Mindestenergie temperaturabhängig. Im Jahr 2012 wurde diese Theorie experimentell bestätigt (wie in Nature beschrieben).

Unter der Untergrenze

Für die heutige Generation von Computern ist diese Untergrenze aber noch lange nicht in Sicht. Sie benötigt immer noch ein Tausendfaches dieser Energie. Aber in den kommenden Jahrzehnten kann und soll sich das ändern und Computer diese theoretische Untergrenze erreichen. Jan Klaers hat gezeigt, dass der Energieverbrauch durch ein geschicktes Zusammenspiel von Computeraktionen und Temperaturverlauf reduziert werden kann. Dann ist weniger Energie nötig, um ein Bit umzuschalten, sogar weniger, als das Landauer-Prinzip beschreibt.

Im Tal der Temperatur

Die vielen logischen Operationen, die in einem Computer ablaufen, erzeugen ein komplexes Temperaturprofil. Trotz der Komplexität ist eines klar: Temperatur und Energiebedarf haben den gleichen „Rhythmus“ wie der Prozessortakt. Man spricht in diesem Zusammenhang von „squeezed“ (gezwungenen) thermischen Zuständen. Es kann vorkommen, dass ein und die gleiche Aktion ja nach Auftreten mehr oder weniger Energie benötigt, also zeitabhängig ist. Führt man die Operation immer genau am Minimum der Temperaturkurve durch, dann erledigt das System die Operation mit weniger Energie, sogar weniger, als von Landauer vorhergesagt.

Minimalistisches Modell

Klaers untersuchte ein minimalistisches mechanisches Modell, das einen 1-Bit-Speicher repräsentiert. Das Experiment ist dem von Landauer, das sein Prinzip demonstrierte, sehr ähnlich. Es ist erst der grundlegende Anfang, so Klaers, weitere Untersuchungen sollen zeigen, wie in der Praxis die Temperatur synchronisiert und welcher (Energie-) Gewinn damit erzielt werden kann.

Quelle: Universität Twente