生物計算和神經形態計算研究可能是提高電腦能源效率的關鍵。 透過從大自然自身的高效系統（如人腦）中汲取靈感，我們或許能夠解決日益增長的數位世界對能源的需求。

隨著電腦消耗越來越多的電力，科學家們正在轉向一種不太可能獲得的靈感，以實現更大的可持續性：不起眼的生物細胞。 這種被稱為生物計算的方法可以減少計算過程中的能源消耗。

最近《對話》（The Conversation）上的一篇文章強調了這個概念，它利用大自然自身的高效系統來解決現代計算中最迫切的挑戰之一。 資料中心和家用設備吞噬了全球約3% 的電力需求，而人工智慧將進一步推高這一數字，因此對高能源效率替代品的需求從未像現在這樣迫切。

生物計算的概念源自於IBM 科學家羅爾夫-蘭道爾（Rolf Landauer）於1961 年提出的一項原則。 蘭道爾極限指出，單一計算任務（例如將一個位元設為0 或1）所需的最低能量消耗約為10-²¹ 焦耳（J）。 雖然這個數字似乎可以忽略不計，但如果考慮到電腦執行的數十億次操作，這個數字就變得非常可觀了。

從理論上講，以朗道爾極限運行計算機將使計算耗電量和熱量管理變得無關緊要。 然而，這其中有一個很大的問題：要達到這樣的效率水平，運算速度必須無限慢。 實際上，更快的運算速度必然會導致能耗增加。

目前的處理器以每秒數十億個週期的時脈速度運行，每位元耗能約10-¹¹J – 約為蘭道爾極限的100 億倍。 這種高速運作是電腦串列工作、一次執行一個操作的結果。

為了解決這個能源難題，研究人員正在探索一種基於大規模並行處理的根本不同的電腦設計。 這種方法建議使用數十億個速度較慢的”烏龜”處理器，而不是依賴單個高速”兔子”處理器，每個處理器只需一秒鐘即可完成任務。 從理論上講，這可以使電腦的運作接近蘭道爾極限，能耗比目前系統低幾個數量級。

基於網路的生物計算是這個想法的一個很有前景的實施方案，它利用了生物運動蛋白–大自然自己的奈米級機器–的力量。 該系統包括將計算任務編碼到奈米製造的迷宮通道中，迷宮通道通常由沉積在矽片上的聚合物圖案製成。 由運動蛋白驅動的生物絲會同時探索迷宮中所有可能的路徑。

每根生物細絲的直徑只有幾奈米，長度約為一微米，透過其在迷宮中的空間位置編碼訊息，成為一台獨立的”計算機”。 這種結構特別適合解決組合問題，而這些問題對串列電腦的運算能力要求很高。

實驗表明，這種生物計算機每次計算所需的能量比電子處理器少1000 到10000 倍。 這種效率源自於生物運動蛋白的演化特性，它們只使用以所需速度執行任務所需的能量–通常是每秒幾百步，比電晶體慢一百萬倍。

最近，這一領域取得了重大進展。 隆德大學奈米物理學教授、《對話》雜誌文章作者海納-林克（Heiner Linke）也與他人合作撰寫了一篇2023年的論文，證明了在蘭道爾極限附近運行計算機的可能性。 這項突破使我們更接近實現超低能耗運算的潛力。

雖然生物計算的概念大有可為，但要擴大這些系統的規模，使其在速度和計算能力方面與電子計算機相抗衡，仍然存在挑戰。 研究人員必須克服各種障礙，例如精確控制生物絲、降低錯誤率以及將這些系統與當前技術結合。

如果能克服這些障礙，所產生的處理器就能以大幅降低的能源成本解決某些類型的挑戰性運算問題。 這項突破可能會對未來的計算及其對環境的影響產生深遠影響。

作為另一種方法，研究人員也正在探索神經形態運算，試圖模擬人腦高度互聯的架構。 雖然大腦的基本物理元素本質上可能不會比電晶體更節能，但其獨特的結構和運作方式為節能運算提供了引人入勝的可能性。