研究により、すべての通信チャネルにわたって避けられないエネルギーコストが明らかになりました

数値計算、ビデオの視聴、記事の入力など、コンピューター上で実行するすべてのタスクでは、マシンのさまざまなコンポーネントが相互にやり取りする必要があります。 「コミュニケーションはどんな計算においても非常に重要です」と元SFI大学院フェローのアビシェク・ヤダブ博士は言う。ニューメキシコ大学の学者。しかし科学者たちは、計算デバイスが通信にどれだけのエネルギーを費やしているのかを完全には把握していません。

過去 10 年間にわたり、SFI 教授のデビッド・ウォルパート氏は、解明するための研究の先頭に立ってきました。 計算の熱力学的コストの基礎となる原理。

ウォルパート氏は、「通信コストの熱力学的限界」を決定することは見落とされているが、コンピュータだけでなく通信システム全般に当てはまるため、この分野では重要な問題であると指摘する。 「それらは現代社会を支えるすべてだ」と彼は言う。

新しい研究でエネルギーコストが判明

さて、での研究 フィジカルレビューリサーチ、 Yadav と Wolpert の共著、 光を放つ これは、情報がシステムを介して送信されるときに発生する避けられない熱放散に関するものであり、原則として通信にはエネルギーコストがかからないという以前の見解に異議を唱えています。

この研究のために、研究者らはコンピューターサイエンス、コミュニケーション理論、 確率的熱力学、スマートフォンやラップトップを含む現実世界の非平衡システムを扱う統計物理学の分野。

チャネル内の熱放散を理解する

研究者らは、一般的な通信チャネルの論理的抽象化を使用して、1 単位の情報を送信するためにシステムが放散しなければならない最小熱量を決定しました。この抽象化は、人工 (光ケーブルなど) または生物学的 (脳内で信号を発するニューロンなど) のあらゆる通信チャネルに適用できます。

現実世界の通信チャネルには、情報伝送を妨げる可能性のあるノイズが常に存在します。Yadav と Wolpert によって開発されたフレームワークは、最小の熱放散が、チャネルのノイズをフィルタリングする有用な情報 (技術的には相互情報と呼ばれます) の量と少なくとも等しいことを示しています。

エンコード、デコード、およびそれらのエネルギー的トレードオフ

次に、現代のコンピューターがどのように計算を実行するかについて、広く適用可能なもう 1 つの抽象化を使用して、エンコードとデコードに関連する最小の熱力学コストを導き出しました。

エンコードおよびデコードの手順により、チャネル ノイズが軽減され、メッセージの信頼性の高い送信が保証されます。ここで研究者らは重要な洞察を得た。エンコードおよびデコードアルゴリズムの改善によりデータ伝送の精度を向上させるには、システム内の熱放散が増加するという犠牲が伴うということだ。

将来のテクノロジーへの影響

通信チャネルを介して情報を送信する際に避けられないエネルギーコストを明らかにすることは、エネルギー効率の高いシステムの構築に役立つ可能性があります。 Yadav 氏は、現在のコンピュータで使用されているノイマン型アーキテクチャでは、CPU とメモリ間の通信に関連して多大なエネルギーコストが発生すると考えています。

「私たちが概説している原則は、将来のコンピューター アーキテクチャのインスピレーションを引き出すために使用できます」と彼は言います。

これらのエネルギーコストはすべての通信チャネルに適用されるため、この研究は、生物学的ニューロンから人工論理回路に至るまで、通信が重要なエネルギーを大量に消費するさまざまな複雑なシステムの理解を研究者に深める潜在的な手段を提供します。ヤダブ氏によると、体のカロリー予算の 20% を消費するにもかかわらず、脳は人工コンピューターよりもはるかに効率的にエネルギーを使用します。

「したがって、脳のような自然な計算システムが通信に関連するコストにどのように対処しているのかを見るのは興味深いでしょう。」