Um avanço importante para a computação foi dado por engenheiros da Universidade da Califórnia, em Berkeley. Eles demonstraram, pela primeira vez, que chips magnéticos podem operar com o menor nível possível de dissipação de energia, conforme as leis da termodinâmica.

O que isso significa?

Significa que é possível reduzir drasticamente o consumo de energia de computadores – algo como um milionésimo de energia utilizada por operação pelos transistores dos computadores que temos hoje.

Aumentar a eficiência energética tem implicação tanto para os dispositivos móveis, que exigem processadores poderosos em pequenas e leves baterias, quanto para a escala industrial, à medida que a computação migra para a “nuvem”, aumentando a demanda de eletricidade dos gigantes centros de dados que estão se multiplicando pelo mundo.

“O maior desafio hoje na concepção de computadores e, de todos os produtos eletrônicos é reduzir o consumo de energia.” – Jeffrey Bokor

Os resultados desse estudo foram publicados no dia 11 de Março em um artigo  na revista Science Advances.

O Desafio

Diminuir o consumo de energia é um foco recente na fabricação de chips. Só que torná-los mais rápidos requer muito mais energia. “Os chips estavam ficando tão quentes que quase derretiam”, ilustra Jeffrey Bokor, autor sênior do estudo e professor de engenharia elétrica e ciência de computação de Berkeley

Foi então que a computação magnética emergiu como uma candidata promissora em função dos bits magnéticos distinguirem-se 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 Bokor.

Assim, os pesquisadores foram se voltando para novas alternativas para os transistores convencionais, que atualmente dependem do movimento de elétrons para alternar entre 0s e 1s. Em parte devido à resistência elétrica, é preciso uma boa quantidade de energia para assegurar que o sinal entre os dois estados (0 e 1) seja claro e distinguível, e isso resulta em excesso de calor.

Computação Nanomagnética

A equipe de Berkeley usou uma técnica inovadora para medir a pequena quantidade de dissipação de energia gerada pela inversão de um bit nanomagnético. Os pesquisadores usaram um laser para rastrear cuidadosamente a direção que o bit estava apontando conforme um campo magnético externo foi usado para girar o ímã para “cima” e para “baixo” ou vice-versa.

Imagem de três bits nanomagnéticoS. Cada bit é uma pequena barra magnética com apenas 90 nanômetros de comprimento. A imagem mostra um ponto brilhante no final “Norte” e uma mancha escura no final “Sul” do ímã. A seta “H” indica a direção do campo magnético usado para mudar a direção dos ímãs. (Crédito: Jeongmin Hong et al./Science Advances)

Eles observaram que levou apenas 15 milielétron-volts de energia – o equivalente a 3 zeptojoules – para inverter um bit magnético à temperatura ambiente, demonstrando efetivamente o limite de Landauer (o limite mínimo de energia necessária para uma operação de computador).

O Limite de Landauer

Na prática, a equipe de Berkeley testou e confirmou o limite de Landauer, termo dado 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.

Rolf William Landauer (1927-1999) foi um físico germano-americano que fez contribuições importantes em diversas áreas da termodinâmica de processamento de informação, Física da matéria condensada, e condutividade. (Cortesia: IIT-Vydia)

A descoberta de Landauer é baseada na segunda lei da termodinâmica, que estabelece que, conforme qualquer sistema físico seja alterado, passando de um estado de maior concentração para um de menor concentração, ele torna-se cada vez mais desordenado.

Landauer desenvolveu uma fórmula para calcular este limite inferior de energia necessária para uma operação computacional. O resultado depende da temperatura do computador; à 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.

Os Computadores do Futuro

Esta é a primeira vez que, de forma prática, um bit pôde ser manipulado e observado sob condições que permitisse ser atingido o limite Landauer. Bokor e sua equipe publicaram um artigo em 2011 e na época, disseram que teoricamente isso podia ser feito, mas não tinha sido demonstrado até então.

Embora este documento seja uma prova de princípio, ele acredita que, na prática, colocar esses chips em produção vai demorar mais tempo. Os autores observam que “os computadores de hoje estão longe do limite fundamental e que, no futuro, será possível conseguir reduções drásticas no consumo de energia.”

Fonte: KurzweilAI