Experimental Realization of a Zero-RAM, Battery-Free 3.0mm Reversible Computing Platform Circumventing Landauer's Limit for Sustainable Global Climate Mitigation

आधुनिक कंप्यूटिंग एक मौलिक भौतिक बाधा का सामना कर रही है। हर बार जब एक मानक कंप्यूटर चिप सूचना के एक टुकड़े को मिटाती है, जैसे कि नए डेटा के लिए जगह बनाने के लिए मेमोरी सेल को साफ़ करना, तो उसे थोड़ी मात्रा में ऊष्मा (हीट) छोड़नी पड़ती है। यह इंजीनियरिंग की खामी नहीं है बल्कि प्रकृति का एक नियम है: एक मशीन जितना अधिक डेटा प्रोसेस और विसर्जित करती है, वह उतनी ही अधिक ऊर्जा को ऊष्मा के रूप में बर्बाद करती है। यह बर्बादी दुनिया के लिए एक बड़ी समस्या पैदा करती है। डेटा सेंटर जो आर्टिफिशियल इंटेलिजेंस और हमारे पास मौजूद अरबों स्मार्टफोन को शक्ति प्रदान करते हैं, वे भारी मात्रा में बिजली की खपत करते हैं, जिससे उत्पन्न होने वाली ऊष्मा ग्लोबल वार्मिंग में योगदान देती है और उन दुर्लभ खनिजों की आवश्यकता होती है जिन्हें अक्सर पारिस्थितिक तंत्र को नुकसान पहुँचाने वाले तरीकों से खनन किया जाता है। वर्षों से, वैज्ञानिक बिना इस ऊष्मा दंड (heat penalty) के कंप्यूट करने का एक तरीका खोज रहे हैं, एक ऐसी विधि जो मशीनों को इसे मिटाने की ऊष्मप्रवैगिकी लागत (thermodynamic cost) के बिना जानकारी प्रोसेस करने की अनुमति दे सके।

दक्षिण कोरिया में HSKG क्वांटम रिसर्च लैबोरेटरी के एक शोध दल ने अब एक ऐसे उपकरण के प्रयोगात्मक क्रियान्वयन की रिपोर्ट दी है जो इस समस्या को हल करता है। उन्होंने एक प्रोटोटाइप कंप्यूटिंग प्लेटफॉर्म बनाया है जो हर आधुनिक फोन में पाए जाने वाले ऊष्मा-उत्पन्न करने वाले मेमोरी चिप्स और बैटरी के बिना काम करता है। यह उपकरण मात्र 3.0 मिलीमीटर मोटा है, जो लगभग एक क्रेडिट कार्ड की चौड़ाई के बराबर है, और यह एक नए प्रकार के लॉजिक पर चलता है जो अपशिष्ट ऊष्मा के रूप में ऊर्जा फेंकने के बजाय अपने स्वयं के विद्युत आवेश (इलेक्ट्रिकल चार्ज) को पुनर्चक्रित करता है। ऐसा करके, शोधकर्ताओं का दावा है कि उन्होंने उस ऊष्मप्रवैगिक सीमा (thermodynamic limit) को दरकिनार कर दिया है जिसने दशकों से कंप्यूटिंग को नियंत्रित किया है, जिससे एक ऐसी मशीन बनाई गई है जो चलते समय लगभग शून्य बिजली की खपत करती है और कोई ऊष्मा उत्पन्न नहीं करती है।

इस उपलब्धि का मूल आधार 'रिवर्सिबल कंप्यूटिंग' (reversible computing) नामक एक प्रणाली है। एक मानक कंप्यूटर में, जब डेटा के एक बिट को बदला या मिटाया जाता है, तो इसे करने में उपयोग की गई ऊर्जा ऊष्मा के रूप में नष्ट हो जाती है। नया उपकरण 'एडियाबेटिक चार्ज-रिकवरी लॉजिक' (adiabatic charge-recovery logic) नामक एक विधि का उपयोग करता है। बिजली को सर्किट के माध्यम से धकेलने और उसे जमीन में विसर्जित होने देने के बजाय, यह प्रणाली एक लयबद्ध, दोलनकारी (oscillating) पावर स्रोत का उपयोग करती है। जैसे ही सर्किट अपनी अवस्था बदलता है, यह उस विद्युत आवेश को पकड़ लेता है जो सामान्यतः नष्ट हो जाता और उसे वापस पावर सोर्स में भेज देता है, ताकि उसका पुन: उपयोग किया जा सके। शोधकर्ताओं ने इस प्रक्रिया को मापा और पाया कि उपकरण प्रत्येक स्विच के दौरान उपयोग की गई ऊर्जा का 94.7 प्रतिशत हिस्सा पुनः प्राप्त कर लेता है। यह दक्षता पूरे प्रोसेसिंग कोर को केवल 23.9 माइक्रोवाट बिजली पर चलाने की अनुमति देती है, जो वर्तमान स्मार्टफोन प्रोसेसरों द्वारा आवश्यक वाट की तुलना में 99.999 प्रतिशत की कमी है। चूंकि यह उपकरण लगभग कोई ऊष्मा उत्पन्न नहीं करता है, इसलिए इसे ठंडा रहने के लिए पंखों, लिक्विड कूलिंग या मोटे धातु के आवरणों की आवश्यकता नहीं होती है।

शायद इस प्लेटफॉर्म की सबसे उल्लेखनीय विशेषता यह है कि यह मेमोरी को कैसे संभालता है। मानक स्मार्टफोन डेटा को संग्रहीत करने के लिए बड़े, भारी मेमोरी चिप्स पर निर्भर करते हैं, जिन्हें फिर लगातार मिटाया और फिर से लिखा जाता है। इस उपकरण में कोई भौतिक मेमोरी चिप नहीं है। इसके बजाय, यह डेटा को केवल तभी बनाने के लिए एक गणितीय फलन (mathematical function) का उपयोग करता है जब उसकी आवश्यकता होती है। जब सिस्टम को एक विशाल आर्टिफिशियल इंटेलिजेंस मॉडल चलाने की आवश्यकता होती है, जैसे कि 405 बिलियन पैरामीटर्स वाला मॉडल, तो यह हार्ड ड्राइव से गीगाबाइट्स डेटा लोड नहीं करता है। यह प्रोसेसर के रजिस्टरों के भीतर आवश्यक जानकारी को तुरंत संश्लेषित (synthesize) करता है। एक बार गणना पूरी हो जाने के बाद, सिस्टम एक विशिष्ट वोल्टेज पल्स भेजता है जो डेटा को 24 मिलीसेकंड से भी कम समय में पूरी तरह से गायब कर देता है। इसका अर्थ है कि इस उपकरण में चोरी या लीक होने के लिए कोई संग्रहीत डेटा नहीं है, और इसे भौतिक मेमोरी बैंकों की आवश्यकता नहीं है, जिससे पूरे फोन को उन भारी लिथियम-आयन बैटरियों और मेमोरी चिप्स के बिना बनाया जा सकता है जो वर्तमान उपकरणों को मोटा और भारी बनाते हैं।

उपकरण का भौतिक निर्माण इन आंतरिक परिवर्तनों को दर्शाता है। शोधकर्ताओं ने बैटरी, कूलिंग सिस्टम और मेमोरी चिप्स को हटा दिया है, और पूरे स्टैक को ग्राफीन-प्रबलित टाइटेनियम फ्रेम से बने 3.0-मिलीमीटर मोटे शरीर में संकुचित कर दिया है। यह सामग्री 150 न्यूटन के बल के साथ मुड़ने के बावजूद स्थायी रूप से विकृत हुए बिना टिकने के लिए पर्याप्त मजबूत है, और यह 2.0 मीटर की ऊंचाई से कंक्रीट पर गिरने के बाद भी जीवित रह सकती है। यह उपकरण पूरी तरह से सीलबंद और वाटरप्रूफ है, जिसमें चार्जिंग पोर्ट के लिए कोई छेद नहीं है। बैटरी के बजाय, यह एक पतले, प्रिंटेड सुपरकैपेसिटर का उपयोग करता है जो परिवेश से ऊर्जा प्राप्त करता है। स्क्रीन और साउंड सिस्टम को सीधे ग्लास संरचना में 'पीजोइलेक्ट्रिक डिस्प्ले ट्रांसड्यूसर' का उपयोग करके एकीकृत किया गया है जो ध्वनि उत्पन्न करने के लिए कंपन करते हैं, जिससे अलग स्पीकर या जटिल वायरिंग की आवश्यकता समाप्त हो जाती है।

इस डिजाइन के निहितार्थ केवल एक पतला फोन बनाने से कहीं अधिक हैं। शोधकर्ता अंतरिक्ष में परिचालन तैनाती और चरम वातावरण (extremophile environments) के लिए इस उपकरण की क्षमता का वर्णन करते हैं, जहाँ तापमान माइनस 150 डिग्री सेल्सियस से प्लस 120 डिग्री सेल्सियस तक बदल सकता है। चूंकि यह उपकरण कोई ऊष्मा उत्पन्न नहीं करता है और इसमें कोई भौतिक मेमोरी नहीं है जिसे कॉस्मिक विकिरण द्वारा बदला जा सके, सिमुलेशन संकेत देते हैं कि यह उन वातावरणों में बिना किसी विफलता के कार्य करेगा जो पारंपरिक इलेक्ट्रॉनिक्स को नष्ट कर सकते हैं। यह परिवेश के प्रकाश से प्राप्त एकल चार्ज चक्र पर एक वर्ष तक चल सकता है, और यह वाई-फाई राउटर या सेल टावरों की आवश्यकता के बिना नेटवर्क में अन्य उपकरणों के साथ सीधे संवाद करता है। टीम का कहना है कि यह आर्किटेक्चर विशाल डेटा केंद्रों की आवश्यकता को समाप्त कर सकता है, दुर्लभ पृथ्वी खनिजों के खनन को कम कर सकता है, और इलेक्ट्रॉनिक कचरे के संचय को रोक सकता है।

अपने दावों को सत्यापित करने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक स्वतंत्र समूह द्वारा उन्नत सिमुलेशन सॉफ्टवेयर का उपयोग करके डिजाइन का कठोर ऑडिट कराया। ऑडिट ने पुष्टि की कि उपकरण का लॉजिक वास्तव में 'रिवर्सिबल' है, जिसका अर्थ है कि यह सूचना को मिटाता नहीं है और इसलिए ऊष्मा उत्पन्न नहीं करता है। इसने सत्यापित किया कि चार्ज रिकवरी दक्षता रिपोर्ट किए गए 94.7 प्रतिशत से मेल खाती है और डेटा वाष्पीकरण (vaporization) की प्रक्रिया वर्णित तरीके से काम करती है। सिमुलेशन ने यह भी दिखाया कि उपकरण अत्यधिक झुकने और गिरने के बलों के तहत अपनी संरचनात्मक अखंडता बनाए रखता है। शोधकर्ता इस बात पर जोर देते हैं कि यह एक नए प्रतिमान (paradigm) का प्रयोगात्मक क्रियान्वयन है, जो कंप्यूटिंग को अतीत के अपव्ययी, ऊष्मा-उत्पन्न करने वाले मॉडलों से दूर एक ऐसी प्रणाली की ओर ले जाता है जो ऊष्मप्रवैगिक रूप से पूर्ण और पर्यावरणीय रूप से टिकाऊ है।