Was ist reversibles Rechnen?

Da die Dichten und Schaltgeschwindigkeiten unserer Rechenvorrichtungen weiterhin exponentiell zunehmen, muss die von diesen Vorrichtungen verbrauchte Energiemenge auf einem bestimmten Niveau bleiben, da andernfalls wirtschaftlich unpraktische Kühlvorrichtungen erforderlich sind. Herkömmliche Computer führen thermodynamisch irreversible Logikoperationen aus, dh es ist nicht möglich, frühere Maschinenzustände nur auf der Grundlage von Informationen aus zukünftigen Zuständen zu extrapolieren. Informationen in Form von Bits werden gelöscht. Diese Bitlöschung stellt die Entropie dar, die mit der Wärmeabfuhr korreliert.

Da wir bei der Entwicklung unserer integrierten Schaltkreise fortschrittlichere Techniken einsetzen, ist der Energieverbrauch pro logischer Verknüpfung kontinuierlich gesunken. Um 2015 wird die Entwicklung jedoch eine grundlegende Barriere erreichen - die kT-Barriere - die eine Energiemenge darstellt, die berechnet wird, indem die Temperatur der Computerumgebung (im Allgemeinen Raumtemperatur oder ~ 300 Kelvin) mit der Boltzmann-Konstante multipliziert wird. Die einzige Möglichkeit, diese Barriere zu überwinden, besteht darin, entweder die Temperatur unserer Computer zu senken oder thermodynamisch umkehrbare Computer zu entwickeln, die keine Entropie erzeugen und daher nicht annähernd so viel Wärme abgeben wie herkömmliche irreversible Computer.

Das Erstellen von reversiblen Computern ist eine wesentlich attraktivere Option als das Kühlen, da durch das Verringern der Computerumgebung auf die niedrigste erreichbare Temperatur (~ 0 Kelvin) die Energieabgabe pro Volumeneinheit nur um zwei Größenordnungen verringert wird, während beim Erstellen von reversiblen Computern die Energieabgabe möglich ist willkürlich reduziert.

Durch den Bau von Computern, die reversible Logikoperationen ausführen, können beliebig niedrige Wärmeabgabewerte erzielt werden. Der Nachteil ist, dass reversible Architekturen ziemlich kompliziert werden können. Wenn 2015 näher rückt und sich die Computerbranche der kT-Grenze nähert, werden Compiler wahrscheinlich so konzipiert sein, dass die Anzahl der thermodynamisch reversiblen Vorgänge in herkömmlichen Computerarchitekturen maximiert wird. Wenn wir anfangen, Computer zu betrachten, die wie beim Nanocomputing aus sehr kleinen und schnellen Logikgattern aufgebaut sind, wird die Reversibilität zu einem wesentlichen Merkmal, um die Energiedissipation auf einem tolerierbaren Niveau zu halten.

Die Forschung im Bereich des reversiblen Rechnens wird heute vom MIT vorangetrieben, dessen Pendulum-Projekt speziell für die Entwicklung einer vollständig reversiblen Rechnerarchitektur entwickelt wurde. Da die maximal erreichbaren Rechnerwirkungsgrade zwangsläufig aus reversiblen Architekturen bestehen, ist dieses Forschungsgebiet unverzichtbar, wenn die Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit unserer Rechner weiter zunehmen soll.

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