Forschung 16.04.2018, 14:44 Uhr

Wärme wird zu kritischen Grösse für Computer

Informationsverarbeitung braucht viel Energie. Sparsamere Computersysteme sollen das Rechnen effizienter machen. Doch die Effizienz dieser Systeme lässt sich nicht beliebig steigern, wie ETH-Physiker nun zeigen.
Ein in einen Rechner integriertes Kühlelement: Die Wärmeproduktion ist inzwischen der limitierende Faktor bei der Informationsverarbeitung.
(Quelle: Colourbox)
Von Felix Würsten, ETH News
Als im 19. Jahrhundert die Dampfmaschinen Verbreitung fanden, stellte sich schnell einmal die Frage, wie man diese Apparaturen optimieren könnte. Die physikalische Theorie, die aus dem Studium dieser Maschinen hervorging, die Thermodynamik, erwies sich in der Folge als äusserst fruchtbarer Ansatz. Sie ist bis heute das zentrale Konzept, wenn man den Energieverbrauch von Wärme-Kraft-Maschinen optimieren will.
Auch im Informationszeitalter erhoffen sich die Physiker und Ingenieure nützliche Beiträge von dieser Theorie. Denn immer deutlicher zeigt sich, dass nicht mehr die Taktfrequenz der Prozessoren und die Zahl der eingesetzten Chips die limitierenden Faktoren für die Performance der Rechner sind, sondern der Energieumsatz. «Die Leistungsfähigkeit eines Rechenzentrums hängt heute in erster Linie davon ab, wie viel Wärme abgeführt werden kann», bringt es Renato Renner, Professor für Theoretische Physik und Leiter der Forschungsgruppe für Quanteninformationstheorie, auf den Punkt.
Illustrieren lässt sich Renners Aussage beispielsweise am Bitcoin-Boom: Nicht die Rechnerkapazitäten an sich, sondern der exorbitante Energieverbrauch, der zu einer grossen Wärmeproduktion führt, und die damit verbundenen Kosten sind zum entscheidenden Faktor für die Zukunft der Kryptowährung geworden. Auch in anderen Gebieten ist der Energiehunger der Rechner inzwischen ein nennenswerter Kostentreiber.
Für die Informationsverarbeitung stellt sich daher immer drängender die Frage, wie man Rechenoperationen aus thermodynamischer Sicht möglichst effizient erledigen kann – oder anders gesagt: Wie lassen sich mit möglichst wenig Energie möglichst viele Rechenoperationen ausführen? Ähnlich wie bei den Dampfmaschinen, Kühlschränken und Gasturbinen geht es auch hier um ein fundamentales Prinzip: Lässt sich die Effizienz beliebig steigern oder gibt es ein physikalisch bedingtes Limit, das aus prinzipiellen Gründen nicht überschritten werden kann?


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