随机热力学可能是理解计算能量成本的关键

如果两个系统之间没有热量传递，则它们处于热平衡状态。计算机在处理信息时会消耗能量并释放热量，因此其运行状态远远偏离热平衡。如果它们停止消耗能量(比如让笔记本电脑完全放电)，它们就会停止运行。

但是物理系统执行计算所需的能量如何取决于计算的细节?

一个多世纪以来，物理学家和计算机科学家一直在尝试将热力学和计算联系起来。两者之间的权衡一直是理论上的担忧，但数字设备的普及也使其成为一个实际问题。直到最近，研究人员才缺乏一种严谨的方法来研究这类系统。

21 世纪初，随着随机热力学这一新领域的出现，这一情况发生了改变。“这是非平衡物理学的一次重大革命，”SFI 教授 David Wolpert 说道。

根据本周发表在《美国国家科学院院刊》上的一篇观点文章，该领域的数学工具正是科学家探索计算系统内部运作所需要的，因为这些系统远远不平衡。由沃尔珀特和维也纳复杂性科学中心博士后研究员简·科贝尔领导的作者认为，随机热力学可以揭示计算和热力学之间的深层联系。

“它为我们提供了工具，让我们能够用方程式研究和量化系统中发生的一切，即使系统远离平衡状态，”沃尔珀特说。这些工具包括数学定理、不确定关系，甚至适用于从极小到宏观的所有尺度的非平衡系统行为的热力学速度极限。

沃尔珀特说，20 世纪物理学家的工作中没有考虑这些因素。“它们为我们提供了一种思考这些系统实际能量的方法，而我们以前从未有过。”

Korbel 指出，这些工具可以帮助研究人员探索能源、计算和气候影响之间的联系。“每台计算机的每次计算都需要能源，其中一些会以热量的形式流失——不仅会使系统变暖，还会使地球变暖，”他说。“随着计算对能源的需求不断增长，将这些损失降至最低至关重要。”

沃尔珀特强调，使用随机热力学的潜在收益远远超出了笔记本电脑和手机等人造计算机。细胞在远离平衡的条件下进行计算;大脑中的神经元也是如此。在更大的时间尺度上，社会系统甚至生物进化都是在非平衡状态下运行的。

沃尔珀特说，从实践层面来说，更深入地了解计算的能量可能会为设计现实世界的设备指明更节能的方法。他说，随机热力学的发现“在我们可能认为是计算的任何领域中无处不在。在许多方面，它提供了一种统一的粘合剂，将所有这些不同的领域联系起来并整合起来。”