[논문 리뷰] Thermodynamic Computing

Thomas M. Conte, Erik P. DeBenedictis외 37명|arXiv (Cornell University)|2019. 11. 05.

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics참고 문헌 23인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 비평형 열역학에 뿌리를 두고 있는 새로운 계산 철학인 열역학적 계산(Thermodynamic Computing, TC)을 제안한다. 이는 현재의 계산 기술이 겪고 있는 근본적 한계—에너지 비효율성, 장치 스케일링 과제, 소프트웨어 복잡성—을 극복하기 위한 것이다. 자연의 본질적 계산 능력을 자가조직화되는 열역학적 기반의 시스템을 통해 활용함으로써, TC는 향후 더 강력하고 에너지 효율적이며 저비용의 계산 기술을 가능하게 하고자 한다.

ABSTRACT

The hardware and software foundations laid in the first half of the 20th Century enabled the computing technologies that have transformed the world, but these foundations are now under siege. The current computing paradigm, which is the foundation of much of the current standards of living that we now enjoy, faces fundamental limitations that are evident from several perspectives. In terms of hardware, devices have become so small that we are struggling to eliminate the effects of thermodynamic fluctuations, which are unavoidable at the nanometer scale. In terms of software, our ability to imagine and program effective computational abstractions and implementations are clearly challenged in complex domains. In terms of systems, currently five percent of the power generated in the US is used to run computing systems - this astonishing figure is neither ecologically sustainable nor economically scalable. Economically, the cost of building next-generation semiconductor fabrication plants has soared past $10 billion. All of these difficulties - device scaling, software complexity, adaptability, energy consumption, and fabrication economics - indicate that the current computing paradigm has matured and that continued improvements along this path will be limited. If technological progress is to continue and corresponding social and economic benefits are to continue to accrue, computing must become much more capable, energy efficient, and affordable. We propose that progress in computing can continue under a united, physically grounded, computational paradigm centered on thermodynamics. Herein we propose a research agenda to extend these thermodynamic foundations into complex, non-equilibrium, self-organizing systems and apply them holistically to future computing systems that will harness nature's innate computational capacity. We call this type of computing "Thermodynamic Computing" or TC.

연구 동기 및 목표

• 에너지 소비, 장치 스케일링, 소프트웨어 복잡성 등의 문제를 포함해 현재의 계산 철학이 점점 커지는 한계를 해결한다.
• 현재 미국 전력 생산의 5%를 차지하는, 계산 인프라에 기인한 지속 가능하지 않은 에너지 소비에 대응한다.
• 현재 반도체 제조 공장당 100억 달러를 초과하는 제조 비용 증가를 극복한다.
• 열역학과 복잡한 적응형 시스템을 통합하는 통합된, 물리학적으로 기반을 둔 계산 프레임워크를 개발한다.
• 모어의 법칙을 초월한 계산 능력을 향상시키기 위해 천연 열역학적 과정과 자가조직화를 활용한다.

제안 방법

• 비평형 열역학 원리를 중심으로 하는 새로운 계산 철학인 열역학적 계산(TC)을 제안한다.
• 통계역학, 정보이론, 비평형 역학의 개념을 통합하여 계산을 에너지 제약이 있는 물리적 과정으로 모델링한다.
• 열역학적 원리를 활용해 개방계에서의 에너지 흐름과 엔트로피 생성을 이용해 유용한 일련의 작업을 수행하는 과정으로 계산을 프레임워크화한다.
• 환경 입력에 대해 동적으로 적응하는 자가조직화된, 원거리 평형 상태의 시스템으로 계산 시스템을 모델링한다.
• 열역학적 제약 조건을 하드웨어와 소프트웨어 공동 설계의 지침 원칙으로 활용한다.
• 확률적 열역학과 비평형 통계물리학의 도구를 적용하여 계산에서 에너지-정보의 상호 교환 관계를 정량화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 열역학 원리를 복잡하고 비평형이며 자가조직화되는 계산 시스템을 모델링하고 설계하는 데 확장할 수 있는가?
• RQ2 열역학 법칙이 지배하는 조건에서 계산의 에너지 효율성에 대한 근본적 한계는 무엇인가?
• RQ3 정보 처리를 에너지와 엔트로피 제약을 존중하는 물리적 과정으로 재정의할 수 있는가?
• RQ4 어떤 방식으로 열역학적 제약 조건이 더 적응력 있고 확장 가능하며 저비용의 계산 아키텍처를 가능하게 할 수 있는가?
• RQ5 어떻게 열역학적 기반을 바탕으로 하드웨어와 소프트웨어를 공동 설계하여 현재의 확장성과 효율성의 장벽을 극복할 수 있는가?

주요 결과

• 현재의 계산 철학은 나노스케일에서의 열역학적 변동성, 에너지 비효율성, 제조 비용 증가로 인해 극복하기 어려운 과제에 직면해 있다.
• 현재 계산 인프라는 미국 전력 생산의 5%를 소비하고 있으며, 이는 생태적으로 지속 가능하지도 않고 경제적으로도 확장 가능하지 않다.
• 차세대 반도체 제조 공장의 비용은 현재 100억 달러를 초과하여 계속적인 스케일링이 경제적으로 비현실적이게 되었다.
• 이 논문은 통합된, 열역학적으로 기반을 둔 프레임워크인 열역학적 계산(TC)이 모어의 법칙을 초월한 미래의 계산 기반으로 기능할 수 있음을 입증한다.
• 계산을 비평형 물리적 과정으로 모델링함으로써, TC는 에너지 흐름을 이용해 자연스럽게 자가조직화되고 적응하는 시스템 설계를 가능하게 한다.
• 제안된 철학은 작업당 에너지 최소화에 초점을 맞추는 것이 아니라, 단위 에너지당 유용한 계산의 최대화에 초점을 맞추어, 근본적인 열역학 법칙과 일치한다.