Det fantastiske løfte om reversible computing

Computerverdenen er i forandring. Efterhånden som chips bliver mindre og hurtigere, spreder de mere varme, som er energi, der er helt spildt.

Ifølge nogle skøn er forskellen mellem mængden af ​​energi, der kræves for at udføre en beregning, og den mængde, som nutidens computere faktisk bruger, omkring otte størrelsesordener. Det er klart, at der er plads til forbedringer.

Så søgningen er i gang for at finde mere effektive beregningsformer, og der er ingen mangel på muligheder.

En af de eksterne løbere i kapløbet om at tage logikkens verden med storm er reversibel databehandling. Med det mener datamatikere beregninger, der foregår i trin, der er tidsreversible.

Så hvis en logisk gate ændrer et input X til et output Y, så er der en omvendt operation, som vender dette trin om. Det er afgørende, at disse skal være en-til-en-kortlægninger, hvilket betyder, at et givet input producerer et enkelt unikt output.

Disse krav til reversibilitet sætter snævre begrænsninger på de typer fysiske systemer, der kan udføre denne form for arbejde, for ikke at nævne på deres design og fremstilling. Almindelige computerchips kvalificerer sig ikke - deres logiske porte er ikke reversible, og de lider også af et andet problem.

Når konventionelle logiske porte producerer flere udgange, bliver nogle af disse ikke brugt, og den nødvendige energi til at generere dem går simpelthen tabt. Disse er kendt som affaldsstater. Minimering af affaldsproduktionen er et af hovedmålene inden for reversibel logikdesign og syntese, siger Himanshu Thapliyal og Nagarajan Ranganathan ved University of South Florida.

I dag foreslår de en ny måde at detektere fejl i beregninger og siger, at deres metode er ideelt anvendelig til reversibel databehandling, og hvad mere er, naturligt reducerer antallet af affaldstilstande, som en beregning producerer.

Før vi ser på deres tilgang, lad os hurtigt gennemgå en konventionel metode til fejldetektion. Dette indebærer blot at udføre beregningen to gange og sammenligne resultaterne. Hvis de er ens, betragtes beregningen som fejlfri.

Denne metode har en åbenlys begrænsning, hvis den oprindelige beregning og dens duplikering begge laver den samme fejl.

Thapliyal og Ranganathan har en anden tilgang, som kommer omkring dette problem. Hvis en reversibel beregning producerer en række output, så bør den omvendte beregning på disse output reproducere de oprindelige tilstande.

Så deres idé er at udføre den omvendte beregning på outputtilstandene, og hvis dette reproducerer de oprindelige tilstande, så er beregningen fejlfri. Og fordi dette er afhængigt af reversible logiske trin, minimerer det naturligvis mængden af ​​affaldstilstande, der produceres imellem.

Der er selvfølgelig en eller to forbehold. Den første er, at ingen har haft held med at bygge en korrekt vendbar logisk port, så dette arbejde er helt teoretisk.

Men der er en række computersystemer, der har potentialet til at fungere som dette. Thapliyal og Ranganathan peger især på den nye teknologi inden for kvantecellulære automater og viser, hvordan deres tilgang kan anvendes.

Skønheden ved denne tilgang er, at den har potentialet til at være dissipationsfri. Så det ville ikke kun bruge langt mindre energi end konventionel computer, det behøver slet ikke at miste energi. I hvert fald i teorien.

Umiddelbart ser det ud til at være i modstrid med et af grundlaget for datalogi: Rolf Landauers princip om, at sletning af en smule information altid spreder en lille mængde energi som varme. Dette er den grundlæggende årsag til, at konventionelle chips bliver så varme.

Men dette princip behøver ikke at gælde for reversibel databehandling, fordi hvis ingen bit slettes, spredes ingen energi. Faktisk er der ingen kendt grænse for effektiviteten af ​​reversibel databehandling. Hvis der kan findes en perfekt reversibel fysisk proces til at bære og behandle bitsene, kan databehandling blive dissipationsfri.

For øjeblikket er det en vild drøm. Men i de næste par år, efterhånden som kvanteprocesser begynder at spille en større rolle i beregninger af alle slags, kan vi meget vel høre meget mere om reversibel computing og dens potentiale til at skære ned på den energi, der spildes i computing.

Ref: arxiv.org/abs/1101.4222 : Reversibel logikbaseret metode til påvisning af samtidige fejl til nye nanokredsløb

skjule