Fantastyczna obietnica obliczeń odwracalnych

Świat informatyki przechodzi transformację. Ponieważ chipy stają się mniejsze i szybsze, rozpraszają więcej ciepła, które jest całkowicie marnowaną energią.

Według niektórych szacunków różnica między ilością energii wymaganą do przeprowadzenia obliczeń a ilością faktycznie zużywaną przez dzisiejsze komputery wynosi około ośmiu rzędów wielkości. Oczywiście istnieje pole do poprawy.

Trwają więc poszukiwania bardziej wydajnych form obliczeń i nie brakuje opcji.

Jednym z zewnętrznych biegaczy w wyścigu o szturmowanie świata logiki jest przetwarzanie odwracalne. Informatycy rozumieją przez to obliczenia, które odbywają się w krokach odwracalnych w czasie.

Więc jeśli bramka logiczna zmienia wejście X na wyjście Y, to istnieje odwrotna operacja, która odwraca ten krok. Co najważniejsze, muszą to być mapowania jeden-do-jednego, co oznacza, że ​​dane dane wejściowe dają pojedynczy unikalny wynik.

Te wymagania dotyczące odwracalności nakładają ścisłe ograniczenia na typy systemów fizycznych, które mogą wykonywać tego rodzaju pracę, nie wspominając o ich projektowaniu i wytwarzaniu. Zwykłe chipy komputerowe nie kwalifikują się – ich bramki logiczne nie są odwracalne i mają też inny problem.

Gdy konwencjonalne bramki logiczne wytwarzają kilka wyjść, niektóre z nich nie są używane, a energia wymagana do ich wygenerowania jest po prostu tracona. Są to tak zwane stany śmieci. Jak twierdzą Himanshu Thapliyal i Nagarajan Ranganathan z Uniwersytetu Południowej Florydy, minimalizacja odpadów jest jednym z głównych celów w projektowaniu i syntezie logiki odwracalnej.

Dziś proponują nowy sposób wykrywania błędów w obliczeniach i twierdzą, że ich metoda idealnie nadaje się do obliczeń odwracalnych, a co więcej, w naturalny sposób zmniejsza liczbę stanów śmieci wytwarzanych przez obliczenia.

Zanim przyjrzymy się ich podejściu, szybko przeanalizujmy konwencjonalną metodę wykrywania błędów. Obejmuje to po prostu dwukrotne wykonanie obliczeń i porównanie wyników. Jeśli są takie same, obliczenia są uważane za wolne od błędów.

Ta metoda ma oczywiste ograniczenie, jeśli zarówno oryginalne obliczenie, jak i jego duplikacja, powodują ten sam błąd.

Thapliyal i Ranganathan mają inne podejście, które rozwiązuje ten problem. Jeśli obliczenie odwracalne daje serię wyjść, to obliczenia odwrotne na tych wyjściach powinny odtworzyć stany oryginalne.

Więc ich pomysł polega na wykonaniu odwrotnych obliczeń na stanach wyjściowych, a jeśli to odtwarza stany oryginalne, to obliczenia są wolne od błędów. A ponieważ opiera się to na odwracalnych krokach logicznych, naturalnie minimalizuje liczbę stanów śmieci, które są wytwarzane pomiędzy.

Oczywiście jest jedno lub dwa zastrzeżenia. Po pierwsze, nikomu nie udało się zbudować odpowiednio odwracalnej bramki logicznej, więc ta praca jest całkowicie teoretyczna.

Ale istnieje wiele schematów obliczeniowych, które mogą działać w ten sposób. Thapliyal i Ranganathan wskazują w szczególności na powstającą technologię kwantowych automatów komórkowych i pokazują, jak można zastosować ich podejście.

Piękno tego podejścia polega na tym, że ma potencjał, aby nie rozpraszać. Więc nie tylko zużyłaby znacznie mniej energii niż konwencjonalne komputery, ale w ogóle nie musiałaby jej tracić. Przynajmniej w teorii.

Na pierwszy rzut oka wydaje się to sprzeczne z jednym z fundamentów informatyki: zasadą Rolfa Landauera, że ​​wymazanie części informacji zawsze rozprasza niewielką ilość energii w postaci ciepła. Jest to podstawowy powód, dla którego konwencjonalne frytki są tak gorące.

Ale ta zasada nie musi mieć zastosowania do obliczeń odwracalnych, ponieważ jeśli żadne bity nie zostaną wymazane, energia nie zostanie rozproszona. W rzeczywistości nie ma znanego ograniczenia wydajności obliczeń odwracalnych. Jeśli uda się znaleźć doskonale odwracalny proces fizyczny do przenoszenia i przetwarzania bitów, wówczas obliczenia mogą stać się wolne od rozpraszania.

Na razie to szalony sen. Ale w ciągu najbliższych kilku lat, gdy procesy kwantowe zaczną odgrywać większą rolę we wszelkiego rodzaju obliczeniach, możemy usłyszeć znacznie więcej o obliczeniach odwracalnych i ich potencjale do zmniejszenia energii marnowanej na obliczenia.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1101.4222 : Metodologia współbieżnego wykrywania błędów w oparciu o odwracalną logikę dla powstających nanoobwodów

ukryć