毫無疑問，信息技術革命改善了我們的生活。但除非我們找到一種使用更少能源的新形式的電子技術，否則計算將在幾十年內受到“能源緊縮”的限制。
即使是我們日常生活中最常見的事件 - 打電話，發短信或查看電子郵件 - 都會使用計算能力。某些任務(例如觀看視頻)需要大量處理，因此消耗大量能量。
由於為連接互聯網的大規模工廠規模的數據中心和網絡提供電力所需的能源，計算 已佔全球電力的5%。電力負荷每十年翻一番。
幸運的是，有一些新的物理領域為大規模減少能源使用提供了希望。
摩爾定律的終結
人類對計算能力的需求永無止境。
例如，智能手機已經成為我們生活中最重要的設備之一。我們使用它們來訪問天氣預報，繪製通過交通的最佳路線，並觀看我們最喜歡的系列的最新季節。
我們希望我們的智能手機在未來變得更加強大。我們希望他們實時翻譯語言，通過虛擬現實將我們帶到新的位置，並將我們連接到“物聯網”。
實現這些功能所需的計算實際上並未在我們的手機中實現。相反，它是由龐大的移動電話塔網絡，Wi-Fi網絡和大型工廠規模的數據中心(稱為“服務器群”)實現的。
在過去的五十年中，我們對計算的不斷增長的需求在很大程度上得益於傳統的基於硅的計算技術的逐步改進：更小，更快，更高效的芯片。我們將這種不斷縮小的硅元件稱為“摩爾定律”。
摩爾定律是以英特爾聯合創始人戈登·摩爾的名字命名的，後者觀察 到：芯片上的晶體管數量每年翻倍，而成本則減半。
但是當我們達到基本物理和經濟的極限時，摩爾定律正在逐漸消退。我們可以看到，儘快使用當前的硅基技術，效率將在2020年結束。
我們對計算能力不斷增長的需求必須通過提高計算效率來滿足，否則信息革命將從權力飢餓中減緩。
實現這一可持續性意味著尋找一種在計算中使用更少能量的新技術。這被稱為“超越CMOS”解決方案，因為它需要從基於硅的CMOS(互補金屬氧化物半導體)技術中徹底轉變，該技術在過去五十年中一直是計算的支柱。
為什麼計算會消耗能量?
處理信息需要能量。當使用電子設備觀看電視，聽音樂，模擬天氣或需要處理信息的任何其他任務時，背景中有數百萬個二進制計算。有零和一些被翻轉，添加，乘以和以驚人的速度劃分。
微處理器可以每秒數十億次執行這些計算，這正是計算機徹底改變了我們生活的原因。
但信息處理並非免費提供。物理學告訴我們，每次我們執行操作 - 例如，將兩個數字加在一起 - 我們必須支付能源成本。
計算的成本並不是運行計算機的唯一能源成本。事實上，任何曾經使用筆記本電腦平衡腿的人都會證明大部分能量會轉化為熱量。這種熱量來自電流流過材料時遇到的阻力。
由於電阻，研究人員希望儘量減少這種浪費的能量。
最近的進展指向解決方案
運行計算機總會消耗一些能量，但是我們距離物理定律允許的計算機還有很長的路要走(幾個數量級)。最近的一些進展使我們希望通過新材料和新概念為這個問題提供全新的解決方案。
非常薄的材料。最近在物理和材料科學方面取得的一個進步是能夠構建和控制只有一個或幾個原子厚度的材料。當材料形成這樣的薄層，並且電子的運動被限制在該薄片上時，電流可以無阻力地流動。
有一系列不同的材料顯示此屬性(或可能顯示它)。我們在ARC未來低能耗電子技術中心(FLEET)的研究重點是研究這些材料。
形狀的研究。還有一個激動人心的概念上的飛躍，可以幫助我們在沒有阻力的情況下理解這種電流特性。
這個想法來自一個叫做“拓撲”的數學分支。拓撲告訴我們如何比較形狀：是什麼使它們相同，是什麼使它們不同。
圖像由軟粘土製成的咖啡杯。你可以慢慢擠壓並擠壓這個形狀，直到它看起來像一個甜甜圈。杯子把手上的洞成為甜甜圈中的洞，杯子的其餘部分被壓扁成為甜甜圈的一部分。
拓撲告訴我們，甜甜圈和咖啡杯是等價的，因為我們可以將它們變形到另一個而不會切割，在其中戳孔或將碎片連接在一起。
事實證明，在拓撲方面可以理解控制薄層中電流如何流動的奇怪規則。這種見解是2016年諾貝爾獎的焦點 ，它推動了大量當前的物理和工程研究。
我們希望利用這些新材料和見解來開發下一代低能耗電子設備，這些設備將基於拓撲科學，允許電流以最小阻力流動。
這項工作創造了可持續的IT革命延續的可能性，而且沒有巨大的能源成本。
該文章首次發表在theconversation
作者：Daisy·Wang / Jared·Cole
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