Wetenschap Landauer-limiet

Computer blijft koel door natuurkundetruc

De ventilatoren in het Facebook Data Center in Zweden. Beeld AFP

Door een nieuwe natuurkundige truc gaan computers in de toekomst mogelijk minder warmte uitstoten. Op papier duiken fysici zelfs onder het absolute minimum dat moeder natuur daarbij toestaat.

De foto’s van Facebooks datacenter in het Zweedse Luleå liegen er niet om. Manshoge ventilatoren slurpen daar kille poollucht naar binnen om talloze pruttelende processoren te koelen. Het illustreert een fundamentele wetmatigheid: computersystemen produceren altijd warmte. En dat kost energie.

Fysicus Jan Klaers (universiteit Twente) onthult in het huidige nummer van vakblad Physical Review Letters echter een maas in de natuurwetten, waarmee computers minder warmte kunnen gaan uitstoten. Dat maakt ze op papier energiezuiniger dan tot nog toe voor mogelijk werd gehouden.

Hij bindt daarvoor de strijd aan met een idee dat al sinds 1961 in de natuurkundeboeken staat. Het gaat om de zogeheten Landauer-limiet, vernoemd naar de Duitse fysicus Rudolf Landauer. Die ontdekte dat bij het wissen of resetten van computergeheugen altijd warmte vrijkomt. Niet omdat het ene deel van een harde schijf over het andere schuurt, maar omdat de natuur een absolute ondergrens stelt aan de energie die je verliest wanneer je rekent met bits en bytes. Energiezuiniger rekenen dan die grens is daardoor niet mogelijk. In 2012 werd het bestaan van de Landauer-limiet experimenteel bevestigd.

Bij het bepalen van zijn limiet ging Landauer uit van een systeem waarin geen warmteverschil bestaat. Natuurkundigen zeggen dan dat het systeem ‘in thermisch evenwicht’ is. Je kunt het vergelijken met een koud geworden kopje koffie op je bureau, dat dezelfde temperatuur heeft als zijn omgeving. ‘Maar computersystemen in de echte wereld zijn bijna nooit in evenwicht’, zegt Klaers. Die lijken meer op een heet kopje koffie, dat bij het afkoelen warmte uitstraalt.

‘In het binnenste van computers ontstaat bij elke berekening warmte’, zegt Klaers. Daardoor ontstaan warmteschommelingen die dansen op het ritme van de processor. Het gevolg is dat het systeem uit evenwicht raakt: op dezelfde plek is het tijdens een berekening warmer, maar even daarna is het er kouder. En daar kun je handig gebruik van maken.

Gedachte-experiment

Om te bepalen wat een omgeving uit balans doet met de Landauer-limiet, bedacht Klaers een gedachte-experiment. Daarbij neemt hij één van de simpelste bits die je in het lab zou kunnen bouwen: een enkel deeltje, dat in een kastje zit met een linker- en rechterruimte. Zit het deeltje links, dan noem je dat ‘0’, zit het rechts dan heet het ‘1’. Wie de informatie wil wissen - van de 1 een 0 wil maken - duwt met een klein zuigertje het deeltje van de rechter naar de linkerruimte. De hoeveelheid energie die dat kost is gelijk aan de Landauer-limiet. Maar het leuke is nu, zo stelt Klaers, dat het wegduwen soms minder energie kost wanneer de omgeving uit evenwicht is, zoals in het binnenste van een computer. Dat gebeurt, zo bepaalde hij, wanneer het in de omgeving kouder is.

Temperatuur is op deeltjesniveau namelijk niets anders dan de gemiddelde snelheid van deeltjes. Wanneer lucht heet aanvoelt, botsen deeltjes sneller tegen onze huid op. Net zo bewegen deeltjes in koude lucht trager. In het gedachte-experiment van Klaers zorgt dat principe ervoor dat het deeltje in een koudere omgeving minder hard tegen de zuiger duwt, zodat je deze gemakkelijker van rechts naar links verplaatst. Het veranderen van de bit kost daardoor minder energie. In een koudere omgeving kun je dus efficiënter rekenen dan de Landauer-limiet anders zou toelaten.

Om dat te bereiken zou je een systeem normaliter moeten koelen, waarmee je je energiewinst meteen weer tenietdoet. Maar in computers, stelt Klaers, krijg je zo’n omgeving uit thermisch evenwicht als gratis bijvangst. Omdat het op één plek afwisselend iets warmer en kouder is, kun je door handig timen de computer energie-efficiënter maken. ‘Je moet dan anticiperen op de temperatuurschommelingen en bits wissen of resetten op het moment dat de omgeving kouder is’, zegt Klaers.

Energievoordeel

Dat is in de praktijk alleen niet zo gemakkelijk, benadrukt fysicus Eric Lutz (universiteit Stuttgart), die niet bij het onderzoek betrokken is. Hij wijst erop dat Klaers in zijn publicatie niet opschrijft hoe je zijn idee in de praktijk zou moeten uitvoeren. Bovendien schrijft hij nergens hoeveel energievoordeel het nu precies oplevert. ‘Terwijl dat nu juist de meest interessante vraag is’, zegt Lutz.

Desondanks noemt Lutz het idee ‘interessant’. ‘De laatste paar jaar duiken steeds vaker onderzoeken op die de Landauer-limiet bestuderen in systemen die uit evenwicht zijn’, zegt hij. Daarbij is Klaers is de eerste die een manier voorstelt om die ideeën ook in echte computers toe te passen.

Klaers bevestigt de kritiek. ‘Ik ben van plan om in vervolgonderzoek in meer detail uit te zoeken hoe je dit praktisch zou moeten aanpakken’, zegt hij.

Overigens is Klaers ervan overtuigd dat zijn idee nuttig kan zijn voor de huidige generatie computers, die nog zo’n duizendmaal meer warmte verliezen dan de Landauer-limiet zou toestaan. ‘De energiebesparing die rekenen in een koudere omgeving oplevert, werkt altijd, ook ver boven de limiet. We hoeven dus niet te wachten totdat computers efficiënter zijn.’

Nog meer gegoochel met fysica

Een kopje koffie dat uit zichzelf warmer wordt? In Freiburg staan ze aan de vooravond van een techniekrevolutie.

Roest als cruciaal onderdeel van een supersnelle én stabielere computer van de toekomst. Natuurkundigen onthullen een nieuwe toepassing voor een oud materiaal. Volgens hen opent roest de deur naar supersnelle computers en stabielere harde schijven.

Meer over

Wilt u belangrijke informatie delen met de Volkskrant?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van de Volkskrant rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright@volkskrant.nl.