Hai hệ thống tồn tại ở trạng thái cân bằng nhiệt nếu không có nhiệt truyền qua giữa chúng. Máy tính, tiêu thụ năng lượng và tỏa nhiệt khi xử lý thông tin, hoạt động xa trạng thái cân bằng nhiệt. Nếu chúng ngừng tiêu thụ năng lượng—ví dụ bạn để máy tính xách tay của mình xả hết điện—chúng sẽ ngừng hoạt động.
Việc ánh xạ giữa các tính năng thiết kế của máy tính và hiệu suất của nó khi tính toán một hàm được trung gian bởi chi phí tài nguyên của nó. Tín dụng: Biên bản của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia (2024). DOI: 10.1073/pnas.2321112121
Nhưng lượng năng lượng cần thiết mà một hệ thống vật lý cần để thực hiện một phép tính phụ thuộc như thế nào vào các chi tiết của phép tính?
Các nhà vật lý và khoa học máy tính đã cố gắng kết nối nhiệt động lực học và tính toán trong hơn một thế kỷ. Sự đánh đổi luôn là mối quan tâm về mặt lý thuyết, nhưng sự phổ biến của các thiết bị kỹ thuật số cũng khiến nó trở thành một mối quan tâm thực tế. Cho đến gần đây, các nhà nghiên cứu vẫn thiếu một cách nghiêm ngặt để nghiên cứu các loại hệ thống này.
Điều đó đã thay đổi vào đầu thế kỷ 21 với sự ra đời của một lĩnh vực mới gọi là nhiệt động lực học ngẫu nhiên. "Đây là một cuộc cách mạng lớn trong vật lý không cân bằng", Giáo sư David Wolpert của SFI cho biết.
Các công cụ toán học của lĩnh vực này chính xác là những gì các nhà khoa học cần sử dụng để thăm dò hoạt động bên trong của các hệ thống tính toán, vì các hệ thống đó (xa) mất cân bằng, theo một Quan điểm được công bố trong tuần này trên Biên bản của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia. Các tác giả, do Wolpert và Jan Korbel, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Complexity Science Hub ở Vienna, đứng đầu, lập luận rằng nhiệt động lực học ngẫu nhiên có thể khám phá ra những mối liên hệ sâu sắc giữa tính toán và nhiệt động lực học.
"Nó cung cấp cho chúng ta các công cụ để điều tra và định lượng bằng các phương trình mọi thứ đang diễn ra với các hệ thống, thậm chí là xa trạng thái cân bằng tùy ý", Wolpert nói. Các công cụ bao gồm các định lý toán học, quan hệ bất định và thậm chí cả giới hạn tốc độ nhiệt động lực học áp dụng cho hành vi của các hệ thống không cân bằng ở mọi quy mô, từ rất nhỏ đến vĩ mô.
Wolpert cho biết những cân nhắc này không có trong công trình của các nhà vật lý thế kỷ 20. "Chúng cung cấp cho chúng ta một cách để suy nghĩ về năng lượng thực tế của các hệ thống này, và chúng ta chưa từng có chúng trước đây".
Korbel lưu ý rằng các công cụ này có thể giúp các nhà nghiên cứu thăm dò mối liên hệ giữa năng lượng, tính toán và tác động lên khí hậu. "Mỗi phép tính trong mọi máy tính đều cần năng lượng, một số trong đó bị mất dưới dạng nhiệt - làm ấm không chỉ hệ thống mà còn cả hành tinh", ông nói. "Khi nhu cầu năng lượng của tính toán tiếp tục tăng, điều cần thiết là phải giảm thiểu những tổn thất này".
Wolpert nhấn mạnh rằng lợi ích tiềm năng từ việc sử dụng nhiệt động lực học ngẫu nhiên vượt xa các máy tính nhân tạo như máy tính xách tay và điện thoại. Các tế bào thực hiện các phép tính xa trạng thái cân bằng; các tế bào thần kinh trong não cũng vậy. Trên thang thời gian lớn hơn, các hệ thống xã hội và thậm chí cả quá trình tiến hóa sinh học đều hoạt động ngoài trạng thái cân bằng.
Ở cấp độ thực tế, Wolpert cho biết, hiểu biết sâu sắc hơn về năng lượng tính toán có thể chỉ ra những cách tiết kiệm năng lượng hơn để thiết kế các thiết bị trong thế giới thực. Ông cho biết, những phát hiện trong nhiệt động lực học ngẫu nhiên "có mặt ở khắp mọi nơi mà chúng ta có thể coi là điện toán. Theo nhiều cách, nó cung cấp một chất kết dính thống nhất để liên hệ và tích hợp tất cả các lĩnh vực khác nhau này".
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
