Энергия бита

[fregimus]

Беннет[1] приводит такие данные для энергии на элементарную операцию в единицах kT: нейрон рассеивает 10¹¹ kT на один импульс, а репликация ДНК — от 20 до 100 kT на вставленный нуклеотид или аминокислоту. Интересно посчитать, сколько энергии на бит вычислений расходует современный процессор.

Intel Core 2 Duo Wolfdale содержит 400 миллионов транзисторов и потребляет 70 Вт при тактовой частоте 3 ГГц (с округлением до 1 значащей цифры). Пусть 10% транзисторов переключаются в каждом такте: 400·10⁶×0,1×3·10⁹=1×10¹⁷ переключений в секунду. На них расходуется 70 Дж, 6·10⁻¹⁶ Дж на операцию. Положим kT=4·10⁻²¹ Дж (Т=300 K), получим 2­·10⁵ kT на операцию. Где-то между.

Статья Беннета о термодинамике вычислений вообще невероятно интересная, рекомендую. В ней он разбирает, как последовательности бит становятся «топливом» для молекулярных вычислительных механизмов и почему демонов Максвелла не бывает.

[1] C.H. Bennett. The Thermodynamics of Computation--a Review. Internat. J. Theoret. Phys. 21, pp. 905-940 (1982)

N. B.: Ссылка на статью починена с благодарностью anatol_olegych. Оригинальная до сих пор не открывается тоже работает.

Comments

[arno1251.livejournal.com]

Спасибо, оч. интересно!

[veldandi.livejournal.com]

Тут явно неточность; значительную часть энергии потребляет SRAM, а объёмы кэша в последнее время сильно возросли
3 Ггц - не учитывают суперскаларный конвеер

Потребление интерфейсных (не вычислительных) схем, кстати, тоже довольно значительно (а это уже интересная тема: сравнение биологических рецепторов, и устройств передачи данных)

[clayrat.livejournal.com]

что-то не открывается =(

[(Anonymous)]

Миллионов 300 из этих 400 — кэш. (6МБ*8бит/байт*6транзистор/бит). Так что переключается меньше, наверное.

[potan.livejournal.com]

Много потребляет не сама SRAM, а именно ассоциативная память - так как выполняет много сравнений параллельно. SRAM как раз очень экономична.

[matfuck.livejournal.com]

Биты в нейронах - полная чушь.

[anatol-olegych.livejournal.com]

Линк почему-то не работает, но есть много другиx. Например,
http://www.cc.gatech.edu/computing/nano/documents/Bennett%20-%20The%20Thermodynamics%20Of%20Computation.pdf

[fregimus.livejournal.com]

Это же оценка плюс-минус два порядка. Положите 0,1% — пусть будет 10^7 кТ/бит. Видно, что есть еще, куда уменьшать. Естественная граница теплового шума — единицы кТ, дальше думать надо, как ее обойти.

[fregimus.livejournal.com]

Спасибо! Действительно сломали…

[fregimus.livejournal.com]

Ссылку на статью anatol_olegych придумал, как починить, теперь работает!

[fregimus.livejournal.com]

Исправлено.

[darth-vasya.livejournal.com]

Забавно, что теоретический минимум для необратимых вычислений - предел Ландауера - это 1/2 kT на бит. То есть, современный микропроцессор на 99.999% являются джоулевым нагревателем и на 0.001% - вычислительным устройством.

[fregimus.livejournal.com]

Угу. Есть куда расти. Только, кажется, предел достижим квазиравновесно — иными словами, ну очень медленно…

[fregimus.livejournal.com]

Только косвенно — вероятность правильно считать бит, конечно, повышается с энергией на бит вычислений, но отнюдь не линейно.

[ex-kosilova.livejournal.com]

Есть о чем поразмыслить

[darth-vasya.livejournal.com]

Теоретически, с помощью вычислений на отдельных спинах можно достигнуть как раз такой диссипации. Только это надо делать при 1 K :(

[fregimus.livejournal.com]

Да полно ж Вам «:(»! Зачем нам kT/2? Я и на 10kT согласен!

[darth-vasya.livejournal.com]

Не, ну там же ещё надо клокинг всякий делать и т.п., на это ещё сотни kT уйдут. Но для поддержания 1 K придётся очень много диссипировать - либо орбитальный компьютер, всё как у Адамса.

[janatem.livejournal.com]

Единица измерения неудачно названа: глаз читает kT как килокельвин. Надо было обозвать новым словом.

[fregimus.livejournal.com]

Она не то, чтобы названа — то есть части названы, но лет сто уж как, как-то было бы неловко менять: k — константа Больцмана, T — абсолютная температура. Надо было подробнее объяснить, конечно. Теоретический минимум диссипации энергии в необратимом элементарном вычислении составляет kT/2, но он равновесный (т. е. в бесконечно медленном процессе). Отсюда удобно выражать затраты энергии на бит в этих единицах: во сколько раз хуже сферического вычислителя в глубоком вакууме.

Обратимые вычисления же могут быть консервативными. У Беннета как раз об этом речь.

[fregimus.livejournal.com]

Обратимые вычисления красивы. Думал-думал, много всего надумал, а после этого, чтобы энергию зря не тратить, нужно аккуратно раздумать все обратно.

[fregimus.livejournal.com]

Дугласа? Убей, не вспомню! Deep Though, кажется, Землю изобрел, но она ведь теплая…

[darth-vasya.livejournal.com]

(Вернувшись из Википедии.) Там ещё был компьютер на орбите Криккита. Только я не уверен, находился ли он с самого начала на орбите.

А может, это у меня где-то синапсы искрят просто.

[fregimus.livejournal.com]

Пора перечитывать. Тоже не помню.

[janatem.livejournal.com]

Про смысл k и T легко понять, едва начав читать текст. И величина kT -- осмысленна и полезна, только я бы завел новое обозначения для нее. Например как-то так: n = E/(kT/2) -- безразмерная величина, показывающая относительную эффективность данной реализации элементарного вычисления (E здесь-- реально затрачиваемая энергия в джоулях).

[ma535468.livejournal.com]

Что же это выходит что существует вечный двигатель?
Всякая энергия диссипирует а информационная не диссипирует
Так что давайте все преобразуем в информацию и вечность обеспечена!

[fregimus.livejournal.com]

Давайте!

[ole-vin.livejournal.com]

Специально пересмотрел все результаты, которые гугол выдаёт на запрос "бит вычислений" (в кавычках, то есть с полным соответствие словосочетания). Кроме ссылки на этот пост, всё лишь выражения, в которых вместо чего-нибудь типа "32-битных вычислений" употреблено: "32 бит вычислений", других употреблений на всю базу данных гугола не нашлось. Не зря мне показалось, что какой-то "левый" термин. В битах измеряется информация, а не вычисления.

[kruassanchik.livejournal.com]

И так тоже бывает:)