Entendiendo el coste energético de la computación

Investigadores del Instituto de Física Interdisciplinar y Sistemas Complejos (IFISC, UIB-CSIC), la Universidad de Colorado, el Santa Fe Institute y el Centro Internacional Abdus Salam de Física Teórica (ICTP), han realizado avances que avanzan nuestra comprensión teórica de las demandas energéticas de los ordenadores modernos. El estudio, publicado en Physical Review X, presenta un nuevo marco teórico para cuantificar estos costes termodinámicos, incluso a un nivel elemental.

El equipo, dirigido por el investigador del IFISC (UIB-CSIC) Gonzalo Manzano, ha desarrollado una metodología para cuantificar la disipación mínima de energía de los ordenadores que realizan tareas específicas, sin necesidad de disponer de amplios detalles sobre la constitución física de los propios ordenadores. Este enfoque utiliza técnicas avanzadas del campo de la termodinámica estocástica para abordar retos como el impacto de la irreversibilidad lógica y los cálculos con un tiempo de ejecución indeterminado.

La clave de esta investigación, titulada "Thermodynamics of computations with absolute irreversibility, unidirectional transitions, and stochastic computation times", es la aplicación de principios y técnicas utilizados habitualmente en matemáticas financieras, como la teoría martingala, para tratar la naturaleza estocástica de los cálculos del mundo real. Los hallazgos incluyen relaciones universales para las fluctuaciones de energía y límites para los costes energéticos de cualquier tarea computacional, mejorando nuestra comprensión de la segunda ley de la termodinámica en el contexto del procesamiento de la información.

El estudio no sólo perfecciona las leyes existentes de la termodinámica en relación con las tareas computacionales, sino que también introduce elementos cruciales para dar cuenta de las fluctuaciones en procesos alejados del equilibrio. Estos conocimientos pueden ser fundamentales para diseñar sistemas informáticos más eficientes desde el punto de vista energético, algo cada vez más crítico para minimizar el impacto medioambiental de la tecnología.

Las implicaciones de esta investigación van más allá de las ciencias computacionales tradicionales. Estos avances tienen aplicaciones potenciales en física biológica, sobre todo para entender cómo procesan la información los sistemas vivos. Al establecer nuevas relaciones termodinámicas universales aplicables a la estadística computacional, este trabajo sienta las bases para futuras innovaciones en múltiples disciplinas.

Manzano, G., Kardeş, G., Roldán, É., & Wolpert, D. H. (2024). Thermodynamics of Computations with Absolute Irreversibility, Unidirectional Transitions, and Stochastic Computation Times. Physical Review. X, 14(2). https://doi.org/10.1103/physrevx.14.021026

Imagen: Esquema de un modelo de máquina de computación que comienza en el estado lógico q0 y finaliza el cálculo cuando se alcanza el estado q2. Durante la evolución, el procesamiento de la información y los saltos estocásticos en el estado de la máquina provocan una disipación de energía en el entorno.