未来的计算机可能会通过将任务与温度波动同步来减少热量的产生

在数字电子产品中，能量耗散是当今的主要设计考虑因素之一。随着处理单元不断缩小，每次计算所需的电压会降低。晶体管迟早会达到执行单个任务所需的最低电压的理论极限。

最近，荷兰特温特大学的 Jan Klaers 教授提出了“压缩热态”，可以用来绕过这个理论极限。这些状态迫使处理单元在更低的温度下有效运行，同时消耗更少的能量。

现有的计算机技术可以利用处理器热环境中自然发生的这些状态。并且在未来，可以利用压缩状态来开发更节能的电子设备。

1961 年，德裔美国物理学家 Rolf Landauer 在为 IBM 工作期间开发了数字位热力学模型。根据该模型，任何改变数据的逻辑上不可逆的操作，例如重置或擦除一点内存，都会增加熵，并且相应数量的能量会以热量的形式消散。

他计算了擦除或重置位（从 1 状态到 0 状态）所需的最低可能能量，结果是 0.7*k(B)*T , 其中 k(B) 是玻尔兹曼常数，T 是环境温度。

这一原理也与量子信息、量子计算和可逆计算有关。 2012年，研究人员进行了实验来证实这一原理。

然而，该原理仅在系统处于热平衡时才有效。 Jan Klaers 现在建立了一种新方法，在该方法中，钻头保持平衡，并通过热挤压浴使“热浴”（周围环境）脱离平衡。

参考：物理。牧师莱特。 | doi:10.1103/PhysRevLett.122.040602 | APS物理

术语“挤压”是指不均匀分散在系统不同维度上的波动（与噪声相关）。熔池在挤压阶段的 2 个温度之间振荡：一个低于平均温度，一个高于平均温度。这意味着浴缸在特定时刻可能是冷的或热的。

计算机电路中连接位的网络|对这些位执行操作需要能量，这些能量最终会以热量的形式消散（红色）|图片来源：J. Klaers/特温特大学

为了使用尽可能少的能量擦除/重置位，必须在浴槽处于冷态时进行操作。因此，可以将操作与温度振荡同步以降低重置位的能量成本。事实上，Klaers 发现能源成本没有下限：挤压浴缸越多，能源成本越低。

据研究人员称，这种方法可用于当今的计算机位，并且它有可能比 Landauer 限制节省 1,000 倍的能源。

在现代计算机技术中使用这种技术有一个很大的优势：压缩的热环境是免费的。现代处理器通过擦除或切换数百万位来执行计算，每次操作都会释放一定量的热量。

由于热辐射以 CPU 时钟确定的频率发生，因此浴槽的温度会发生波动。尽管这种振荡具有复杂的模式，但这种行为是一种挤压。

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工程师可以配置这种压缩方式，即在比特处于冷态时总是对其进行处理。通过这种方式，由热振荡驱动的计算将消耗更少的功率，但究竟少了多少仍有待研究。

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