Что такое обратимые вычисления?

Поскольку плотности и скорости переключения наших вычислительных устройств продолжают экспоненциально увеличиваться, количество энергии, рассеиваемой этими устройствами, должно оставаться на определенном уровне, в противном случае требуется экономически нецелесообразное устройство охлаждения. Обычные компьютеры выполняют термодинамически необратимые логические операции, то есть невозможно экстраполировать предыдущие состояния машины, основываясь исключительно на информации из будущих состояний. Информация в виде битов стирается. Это стирание бит представляет энтропию, которая коррелирует с рассеиванием тепла.

Поскольку мы применяем все более совершенные методы для проектирования наших интегральных схем, рассеяние энергии на логическую операцию постоянно снижается. Но около 2015 года развитие достигнет фундаментального барьера - барьера kT - который представляет собой количество энергии, вычисляемое путем умножения температуры вычислительной среды (обычно комнатной температуры или ~ 300 Кельвинов) на постоянную Больцмана. Единственный способ преодолеть этот барьер - это либо снизить температуру наших компьютеров, либо разработать термодинамически обратимые компьютеры, которые не генерируют энтропию и, следовательно, не рассеивают почти столько же тепла, сколько обычные необратимые компьютеры.

Создание обратимых компьютеров является значительно более привлекательным вариантом, чем охлаждение, поскольку снижение вычислительной среды до минимально достижимой температуры (~ 0 Кельвина) только уменьшает рассеивание энергии на единицу объема на два порядка, в то время как создание обратимых компьютеров позволяет рассеивать энергию уменьшается произвольно.

Создавая компьютеры, которые выполняют обратимые логические операции, можно добиться сколь угодно низкого уровня рассеивания тепла. Недостатком является то, что обратимые архитектуры могут стать довольно сложными. По мере приближения 2015 года, когда вычислительная индустрия начинает приближаться к барьеру kT, вполне вероятно, что компиляторы будут спроектированы таким образом, чтобы максимизировать количество термодинамически обратимых операций в традиционных вычислительных архитектурах. Когда мы начинаем рассматривать компьютеры, построенные из очень маленьких и быстрых логических элементов, как, например, в нанокомпьютерах, обратимость становится существенной характеристикой для поддержания рассеивания энергии на допустимых уровнях.

Исследования в области обратимых вычислений сегодня ведутся MIT, чей Pendulum Project был специально создан для разработки полностью обратимой вычислительной архитектуры. Поскольку максимально достижимая эффективность работы компьютера обязательно состоит из обратимых архитектур, эта область исследований необходима, если мощность и экономичность наших компьютеров будут продолжать расти.