毫无疑问，信息技术革命改善了我们的生活。但除非我们找到一种使用更少能源的新形式的电子技术，否则计算将在几十年内受到“能源紧缩”的限制。
即使是我们日常生活中最常见的事件 - 打电话，发短信或查看电子邮件 - 都会使用计算能力。某些任务(例如观看视频)需要大量处理，因此消耗大量能量。
由于为连接互联网的大规模工厂规模的数据中心和网络提供电力所需的能源，计算 已占全球电力的5%。电力负荷每十年翻一番。
幸运的是，有一些新的物理领域为大规模减少能源使用提供了希望。
摩尔定律的终结
人类对计算能力的需求永无止境。
例如，智能手机已经成为我们生活中最重要的设备之一。我们使用它们来访问天气预报，绘制通过交通的最佳路线，并观看我们最喜欢的系列的最新季节。
我们希望我们的智能手机在未来变得更加强大。我们希望他们实时翻译语言，通过虚拟现实将我们带到新的位置，并将我们连接到“物联网”。
实现这些功能所需的计算实际上并未在我们的手机中实现。相反，它是由庞大的移动电话塔网络，Wi-Fi网络和大型工厂规模的数据中心(称为“服务器群”)实现的。
在过去的五十年中，我们对计算的不断增长的需求在很大程度上得益于传统的基于硅的计算技术的逐步改进：更小，更快，更高效的芯片。我们将这种不断缩小的硅元件称为“摩尔定律”。
摩尔定律是以英特尔联合创始人戈登·摩尔的名字命名的，后者观察 到：芯片上的晶体管数量每年翻倍，而成本则减半。
但是当我们达到基本物理和经济的极限时，摩尔定律正在逐渐消退。我们可以看到，尽快使用当前的硅基技术，效率将在2020年结束。
我们对计算能力不断增长的需求必须通过提高计算效率来满足，否则信息革命将从权力饥饿中减缓。
实现这一可持续性意味着寻找一种在计算中使用更少能量的新技术。这被称为“超越CMOS”解决方案，因为它需要从基于硅的CMOS(互补金属氧化物半导体)技术中彻底转变，该技术在过去五十年中一直是计算的支柱。
为什么计算会消耗能量?
处理信息需要能量。当使用电子设备观看电视，听音乐，模拟天气或需要处理信息的任何其他任务时，背景中有数百万个二进制计算。有零和一些被翻转，添加，乘以和以惊人的速度划分。
微处理器可以每秒数十亿次执行这些计算，这正是计算机彻底改变了我们生活的原因。
但信息处理并非免费提供。物理学告诉我们，每次我们执行操作 - 例如，将两个数字加在一起 - 我们必须支付能源成本。
计算的成本并不是运行计算机的唯一能源成本。事实上，任何曾经使用笔记本电脑平衡腿的人都会证明大部分能量会转化为热量。这种热量来自电流流过材料时遇到的阻力。
由于电阻，研究人员希望尽量减少这种浪费的能量。
最近的进展指向解决方案
运行计算机总会消耗一些能量，但是我们距离物理定律允许的计算机还有很长的路要走(几个数量级)。最近的一些进展使我们希望通过新材料和新概念为这个问题提供全新的解决方案。
非常薄的材料。最近在物理和材料科学方面取得的一个进步是能够构建和控制只有一个或几个原子厚度的材料。当材料形成这样的薄层，并且电子的运动被限制在该薄片上时，电流可以无阻力地流动。
有一系列不同的材料显示此属性(或可能显示它)。我们在ARC未来低能耗电子技术中心(FLEET)的研究重点是研究这些材料。
形状的研究。还有一个激动人心的概念上的飞跃，可以帮助我们在没有阻力的情况下理解这种电流特性。
这个想法来自一个叫做“拓扑”的数学分支。拓扑告诉我们如何比较形状：是什么使它们相同，是什么使它们不同。
图像由软粘土制成的咖啡杯。你可以慢慢挤压并挤压这个形状，直到它看起来像一个甜甜圈。杯子把手上的洞成为甜甜圈中的洞，杯子的其余部分被压扁成为甜甜圈的一部分。
拓扑告诉我们，甜甜圈和咖啡杯是等价的，因为我们可以将它们变形到另一个而不会切割，在其中戳孔或将碎片连接在一起。
事实证明，在拓扑方面可以理解控制薄层中电流如何流动的奇怪规则。这种见解是2016年诺贝尔奖的焦点 ，它推动了大量当前的物理和工程研究。
我们希望利用这些新材料和见解来开发下一代低能耗电子设备，这些设备将基于拓扑科学，允许电流以最小阻力流动。
这项工作创造了可持续的IT革命延续的可能性，而且没有巨大的能源成本。
该文章首次发表在theconversation
