Jei nepastebėjote, kompiuteriai yra karšti – tiesiogine to žodžio prasme. Nešiojamasis kompiuteris gali išsiurbti šlaunies kepimo šilumą, o duomenų centrai kasmet sunaudoja apie 200 teravatvalandžių – tai panašu į kai kurių vidutinio dydžio šalių energijos suvartojimą. Informacinių ir ryšių technologijų anglies pėdsakas apskritai yra panašus į degalų naudojimo aviacijos pramonėje pėdsaką. Kompiuterio grandinės tampa vis mažesnės ir tankesnės, todėl jos tampa labiau linkusios tirpti dėl energijos, kurią išsklaido kaip šilumą.
Dabar fizikas Jamesas Crutchfieldas iš Kalifornijos universiteto Deivis ir jo absolventas Kyle’as Ray pasiūlė naują skaičiavimo būdą, kuris išsklaido tik nedidelę šilumos dalį gaminami įprastomis grandinėmis. Tiesą sakant, jų požiūris, aprašytas neseniai išspausdintame dokumente, gali sumažinti šilumos išsklaidymą net žemiau teorinio minimumo, kurį šiandieniniams kompiuteriams nustato fizikos dėsniai. Tai galėtų labai sumažinti energijos, reikalingos skaičiavimams atlikti, ir grandinėms vėsinti. Ir visa tai galima padaryti, teigia mokslininkai, naudojant jau egzistuojančius mikroelektroninius prietaisus.
1961 m. fizikas Rolfas Landaueris iš IBM Thomaso J. Watsono tyrimų centro Yorktown Heights, NY, parodė, kad įprastinis skaičiavimas reikalauja neišvengiamos išlaidos energijos išsklaidymo metu – iš esmės generuojant šilumą ir entropiją. Taip yra todėl, kad įprastas kompiuteris kartais turi ištrinti informacijos bitus savo atminties grandinėse, kad atlaisvintų vietos daugiau. Kiekvieną kartą, kai iš naujo nustatomas vienas bitas (su reikšme 1 arba 0), išsklaido tam tikras minimalus energijos kiekis, kurį Rėjus ir Crutchfieldas pakrikštijo „Landaueriu“. Jo vertė priklauso nuo aplinkos temperatūros: jūsų gyvenamajame kambaryje vienas Landaueris būtų apie 10–21 džaulis. (Palyginimui, uždegta žvakė skleidžia maždaug 10 džaulių energijos per sekundę.)
Kompiuterių mokslininkai jau seniai pripažino, kad Landauerio riba, kiek mažai šilumos gamina skaičiavimas, gali būti sumažinta ne ištrinti bet kokią informaciją. Tokiu būdu atliktas skaičiavimas yra visiškai grįžtamasis, nes informacijos neišmetimas reiškia, kad kiekvieną žingsnį galima atsekti. Gali atrodyti, kad šis procesas greitai užpildys kompiuterio atmintį. Tačiau aštuntajame dešimtmetyje Charlesas Bennettas, taip pat dirbantis TJ Watson, parodė, kad užuot atmetus informaciją skaičiavimo pabaigoje, galima nustatyti, kad būtų „išskaičiuoti“ tarpiniai rezultatai, kurie nebereikalingi, pakeičiant loginius veiksmus ir grąžinant kompiuterį. prie jos pradinė būsena.
Svarbiausia yra ta, kad norint išvengti šilumos perdavimo – tai yra, ką fizikai vadina adiabatiniu procesu – skaičiavimo loginių operacijų serija paprastai turi būti atliekama be galo lėtai. Tam tikra prasme šis metodas leidžia išvengti bet kokio „trinties šildymo“ procese, tačiau tai užtrunka be galo ilgai, kol bus atliktas skaičiavimas.
Vargu ar tai atrodo praktiškas sprendimas. „Ilgą laiką tradicinė išmintis buvo ta, kad grįžtamojo skaičiavimo energijos išsklaidymas yra proporcingas greičiui“, – sako kompiuterių mokslininkas Michaelas Frankas iš Sandia National Laboratories Albuquerque, NM.
Iki ribos – ir toliau
Siliciu pagrįstas skaičiavimas vis tiek nepriartėja prie Landauerio ribos: šiuo metu toks skaičiavimas per loginę operaciją sukuria apie kelis tūkstančius Landauerių šilumos, ir sunku suprasti, kaip net koks nors superefektyvus ateities silicio lustas gali pasiekti mažiau nei 100. . Tačiau Ray’us ir Crutchfieldas teigia, kad galima padaryti geriau, koduojant informaciją elektros srovėse nauju būdu: ne kaip krūvio impulsus, o pagal judančių dalelių impulsą. Jie sako, kad tai leistų atlikti skaičiavimus grįžtamai, neaukojant greičio.
Du mokslininkai ir jų bendradarbiai praėjusiais metais pristatė pagrindinę impulsų skaičiavimo idėją. Pagrindinė koncepcija yra ta, kad bitais koduojančios dalelės impulsas gali suteikti tam tikrą atmintį „nemokamai“, nes ji neša informaciją apie dalelės praeitį ir būsimą judėjimą, o ne tik jos momentinę būseną. „Anksčiau informacija buvo saugoma pozicijoje: „Kur yra dalelė?“, – sako Crutchfieldas. Pavyzdžiui, ar duotas elektronas yra į tai kanalas arba kad vienas? „Momentum computing naudoja informaciją padėtyje ir greičiu“, – sako jis.
Tada ši papildoma informacija gali būti panaudota grįžtamajam skaičiavimui. Kad idėja veiktų, loginės operacijos turi įvykti daug greičiau nei laikas, per kurį bitas pasiekia šiluminę pusiausvyrą su aplinka, o tai atsitiktinai sureguliuos bito judėjimą ir sumaišys informaciją. Kitaip tariant, „momentum computing reikalauja kad prietaisas veikia dideliu greičiu“, – sako Crutchfieldas. Kad jis veiktų, „turite greitai skaičiuoti“, tai yra, nediabatiškai.
Tyrėjai svarstė, kaip panaudoti idėją, kad būtų galima įgyvendinti loginę operaciją, vadinamą bitų keitimu, kuriame du bitai vienu metu apverčia savo reikšmę: 1 tampa 0 ir atvirkščiai. Čia jokia informacija neatmetama; jis tiesiog perkonfigūruojamas, o tai reiškia, kad teoriškai jo ištrynimas nekainuoja.
Tačiau jei informacija užkoduota tik dalelės padėtyje, bitų keitimas, tarkime, dalelių perjungimas tarp kairiojo kanalo ir dešiniojo kanalo, reiškia, kad jų tapatybės yra sumaišomos ir todėl negali būti atskirtos nuo jų „prieš“ ir „ po“ teigia. Bet jei dalelės turi priešingą momentą, jos išlieka skirtingos, todėl operacija sukuria tikrą ir grįžtamą pokytį.
Praktinis prietaisas
Ray ir Crutchfield aprašė, kaip šią idėją būtų galima įgyvendinti praktiniame įrenginyje, ypač superlaidžiuose srauto kvantiniuose bituose arba kubituose, kurie yra standartiniai bitai, naudojami daugumoje šiandieninių kvantinių kompiuterių. „Mes esame kvantinių kompiuterių bendruomenės parazitai! Crutchfieldas linksmai prisipažįsta. Šiuos įrenginius sudaro superlaidžios medžiagos kilpos, pertraukiamos struktūromis, vadinamomis Josephsono jungtimis (JJ), kur tarp dviejų superlaidininkų yra įterptas plonas ne superlaidžios medžiagos sluoksnis.
Informacija JJ grandinėse dažniausiai užkoduojama jų vadinamosios supersrovės cirkuliacijos kryptimi, kurią galima perjungti naudojant mikrobangų spinduliuotę. Tačiau kadangi supersrovės neša impulsą, jas galima naudoti ir impulso skaičiavimui. Ray ir Crutchfield atliko modeliavimą, kuris rodo, kad tam tikromis sąlygomis JJ grandinės turėtų palaikyti savo impulso skaičiavimo metodą. Atšaldžius iki skysčio-helio temperatūros, grandinė galėtų atlikti vieną bitų apsikeitimo operaciją per mažiau nei 15 nanosekundžių.
„Nors mūsų pasiūlymas pagrįstas konkrečiu pagrindu, kad būtų kuo konkretesnis ir tiksliai įvertintų reikiamą energiją“, – sako Crutchfieldas, „pasiūlymas yra daug bendresnis. Iš esmės jis turėtų veikti su įprastomis (nors ir kriogeniniu būdu aušinamas) elektroninėmis grandinėmis arba net su mažais, kruopščiai izoliuotais mechaniniais įtaisais, kurie judančiose dalyse gali nešti impulsą (taigi atlikti skaičiavimus). Tačiau metodas su superlaidžiais bitais gali būti ypač tinkamas, sako Crutchfieldas, nes „tai pažįstama mikrotechnologija, kuri, kaip žinoma, labai gerai plečiasi“.
Crutchfieldas turėtų žinoti: dirbdamas su Michaelu Roukesu ir jo bendradarbiais Kalifornijos technologijos institute, Crutchfieldas anksčiau įvertino vieno JJ įrenginio bito ištrynimo išlaidas ir parodė, kad jos yra arti Landauerio ribos. Devintajame dešimtmetyje Crutchfieldas ir Roukesas netgi dirbo konsultantais IBM bandant sukurti reversinį JJ kompiuterį, kurio galiausiai buvo atsisakyta dėl tuo metu pernelyg didelių gamybos reikalavimų.
Sekite atšokusį kamuolį
Dalelių greičio panaudojimas skaičiavimams nėra visiškai nauja idėja. Impulsinis skaičiavimas yra labai panašus į grįžtamojo skaičiavimo koncepciją, vadinamą balistiniu skaičiavimu, kuri buvo pasiūlyta devintajame dešimtmetyje: jame informacija yra užkoduota objektuose ar dalelėse, kurios laisvai juda grandinėmis pagal savo inerciją, nešdamos tam tikrą signalą, kuris naudojamas. pakartotinai atlikti daugybę loginių operacijų. Jei dalelė elastingai sąveikauja su kitais, proceso metu ji nepraras jokios energijos. Tokiame įrenginyje, kai balistiniai bitai yra „paleisti“, jie vieni maitina skaičiavimą be jokios kitos energijos įvesties. Skaičiavimas yra grįžtamas tol, kol bitai ir toliau šokinėja savo trajektorijomis. Informacija tik ištrinama, o energija tik išsklaido, kai nuskaitomos jų būsenos.
Kadangi balistinio skaičiavimo metu dalelės greitis tiesiog perneša ją per įrenginį, leisdamas dalelei perduoti informaciją nuo įvesties iki išvesties, Crutchfield teigia, kad skaičiuojant impulsą, dalelės greitis ir padėtis kartu leidžia jai įkūnyti unikalią ir nedviprasmišką seką. būsenos skaičiavimo metu. Pastaroji aplinkybė yra raktas į grįžtamumą, taigi ir mažą sklaidą, priduria jis, nes ji gali tiksliai atskleisti, kur buvo kiekviena dalelė.
Tyrėjai, įskaitant Frankas, dešimtmečius dirbo su balistiniu grįžtamuoju skaičiavimu. Vienas iš iššūkių yra tas, kad pagal pradinį pasiūlymą balistinis skaičiavimas yra dinamiškai nestabilus, nes, pavyzdžiui, dalelių susidūrimai gali būti chaotiški ir todėl labai jautrūs mažiausiems atsitiktiniams svyravimams: tada jų negalima pakeisti. Tačiau mokslininkai padarė pažangą spręsdami problemas. Neseniai išankstinio spausdinimo popieriusKevinas Osbornas ir Waltrautas Wustmannas, abu iš Merilendo universiteto, pasiūlė, kad JJ grandinės galėtų būti naudojamos kuriant grįžtamąją balistinę loginę grandinę, vadinamą poslinkio registru, kurioje vienų loginių vartų išvestis tampa kitų serijos loginių vartų įvestimi. „flip-flop“ operacijų.
„Superlaidžios grandinės yra gera platforma grįžtamųjų grandinių bandymams“, – sako Osbornas. Jis priduria, kad jo JJ grandinės atrodo labai artimos Ray ir Crutchfield nurodytoms grandinėms, todėl gali būti geriausias kandidatas išbandyti jų idėją.
„Sakyčiau, kad visos mūsų grupės dirbo remdamosi intuicija, kad šiais metodais galima pasiekti geresnį kompromisą tarp efektyvumo ir greičio nei taikant tradicinius grįžtamojo skaičiavimo metodus“, – sako Frankas. Ray’us ir Crutchfieldas „turbūt iki šiol atliko kruopščiausią darbą, pademonstruodami tai atskirų įrenginių teorijos ir modeliavimo lygmeniu“. Nepaisant to, Frankas perspėja, kad visi įvairūs balistinio ir impulso skaičiavimo metodai „dar toli nuo to, kad taptų praktine technologija“.
Crutchfieldas yra optimistiškesnis. „Tai tikrai priklauso nuo to, ar žmonės palaikys augimą“, – sako jis. Jis mano, kad mažos, mažos išsklaidymo impulso skaičiavimo JJ grandinės galėtų būti įmanomos per porą metų, o pilni mikroprocesoriai debiutuotų per šį dešimtmetį. Galiausiai jis tikisi, kad vartotojų lygio impulsų skaičiavimas gali padidinti energijos vartojimo efektyvumą 1000 ar daugiau kartų, palyginti su dabartiniais metodais. „Įsivaizduok [if] jūsų „Google“ serverių ūkis, esantis milžiniškame sandėlyje ir naudojantis 1 000 kilovatų skaičiavimams ir aušinimui [was instead] sumažintas tik iki vieno kilovato – tai prilygsta kelioms kaitrinėms lemputėms“, – sako Crutchfieldas.
Tačiau naujojo požiūrio privalumai, pasak Crutchfieldo, gali būti platesni nei praktinis energijos sąnaudų sumažinimas. „Pagreičio skaičiavimas sukels konceptualų pokytį, kaip mes matome informacijos apdorojimą pasaulyje“, – sako jis, įskaitant tai, kaip informacija apdorojama biologinėse sistemose.