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Computadores eficientes precisarão ser magnéticos

Computadores energeticamente eficientes serão magnéticos
O bit magnético, medindo 90 nanômetros, é visto na forma de um ponto brilhante (Norte) e um ponto escuro (Sul). O "H" mostra a direção do campo magnético aplicado para inverter seu valor. [Imagem: Jeongmin Hong/Jeffrey Bokor]

Dissipação fundamental

Em um avanço importante para uma computação energeticamente eficiente, engenheiros da Universidade da Califórnia em Berkeley comprovaram pela primeira vez que chips magnéticos poderão operar com o menor nível fundamental de dissipação de energia possível de acordo com as leis da termodinâmica.

Isto significa que é possível conseguir reduções dramáticas no consumo de energia - tanto quanto usar apenas um milionésimo da energia gasta por operação pelos transistores dos computadores atuais.

Isto é crítico tanto para os aparelhos móveis e suas baterias, quanto para a "nuvem", com a gigantesca demanda de eletricidade dos enormes centros de dados que a viabiliza.

Computação magnética

A computação magnética emergiu como um candidato promissor nos últimos anos porque os bits magnéticos são diferenciados por direção, gastando a mesma energia para fazê-los apontar para a esquerda ou para a direita.

"São dois estados de energia iguais, por isso não desperdiçamos energia criando um estado de alta e [outro estado] de baixa energia," esclarece o professor Jeffrey Bokor, coordenador da equipe.

Em 2011, o mesmo grupo publicou uma teoria demonstrando que processadores magnéticos poderiam atingir o limite físico da eficiência.

Agora eles demonstraram isso experimentalmente.

Limite de Landauer

Na prática, a equipe testou e confirmou o limite de Landauer, um termo em homenagem a Rolf Landauer, que em 1961 descobriu que, em qualquer computador, cada operação de um único bit deve gastar uma quantidade mínima absoluta de energia.

A descoberta de Landauer é baseada na segunda lei da termodinâmica, que estabelece que, conforme qualquer sistema físico é alterado, passando de um estado de maior concentração para uma menor concentração, ele torna-se cada vez mais desordenado. Essa perda de ordem é chamada entropia, e sai do sistema como calor residual.

Computadores energeticamente eficientes precisarão ser magnéticos
Computadores nanomagnéticos usarão minúsculos ímãs em barra para armazenar e processar informações. As primeiras portas lógicas magnéticas 3D já foram construídas. [Imagem: Jeffrey Bokor Lab]

Landauer desenvolveu uma fórmula para calcular este limite inferior de energia necessária para uma operação computacional. O resultado depende da temperatura do computador; a temperatura ambiente, o limite atinge cerca de 3 zeptojoules, ou um centésimo da energia dissipada por um único átomo quando ele emite um fóton de luz.

Eficiência energética é possível

A equipe usou uma técnica inovadora para medir a minúscula quantidade de dissipação de energia gerada pela inversão de um bit nanomagnético. Eles usaram um laser para rastrear cuidadosamente a direção que o bit estava apontando conforme um campo magnético externo era usado para girar o alinhamento do ímã para "cima" e para "baixo" ou vice-versa.

Os dados mostram que são necessários apenas 15 milielétron-volts de energia - o equivalente a 3 zeptojoules - para inverter um bit magnético a temperatura ambiente, demonstrando efetivamente o limite de Landauer.

Ainda é uma prova de princípio, e efetivamente poder comprar processadores magnéticos nas lojas ainda deverá demorar algum tempo.

Mas a equipe observa em seu artigo que "a significância deste resultado é que os computadores de hoje estão longe do limite fundamental e que futuras reduções drásticas no consumo de energia são possíveis."

Bibliografia:

Experimental test of Landauer’s principle in single-bit operations on nanomagnetic memory bits
Jeongmin Hong, Brian Lambson, Scott Dhuey, Jeffrey Bokor
Science Advances
Vol.: 2, no. 3, e1501492
DOI: 10.1126/sciadv.1501492




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