Vad är Reversible Computing?

Eftersom tätheten och omkopplingshastigheterna för våra beräkningsenheter fortsätter att öka exponentiellt, måste mängden energi som sprids av dessa enheter förbli på en viss nivå, annars krävs ekonomiskt opraktisk kylapparat. Konventionella datorer utför termodynamiskt irreversibla logikoperationer, det vill säga att det inte är möjligt att extrapolera tidigare maskintillstånd baserat enbart på information från framtida tillstånd. Information, i form av bitar, raderas. Denna bitradering representerar entropi, som är korrelerad med värmeavledning.

När vi använder alltmer avancerade tekniker för att designa våra integrerade kretsar har energispridningen per logikoperation ständigt sjunkit. Men runt 2015 kommer utvecklingen att nå en grundläggande barriär - kT-barriären - som representerar en mängd energi beräknad genom att multiplicera temperaturen i beräkningsmiljön (i allmänhet rumstemperatur, eller ~ 300 Kelvin) med Boltzmanns konstant. Det enda sättet att penetrera denna barriär är att antingen sänka temperaturen på våra datorer eller utveckla termodynamiskt reversibla datorer som inte genererar entropi och därför inte sprider nästan lika mycket värme som konventionella, irreversibla datorer.

Att skapa reversibla datorer är ett betydligt mer attraktivt alternativ än kylning eftersom att sänka datormiljön till den lägsta uppnåliga temperaturen (~ 0 Kelvin) bara minskar energispridningen per volym per enhet med två storleksordningar, medan byggandet av reversibla datorer gör att energispridningen kan ske minskat godtyckligt.

Genom att bygga datorer som utför reversibla logikoperationer kan godtyckligt låga nivåer av värmeavledning uppnås. Nackdelen är att vändbara arkitekturer kan bli ganska komplicerade. När 2015 närmar sig och databehandlingsindustrin börjar närma sig kT-barriären är det troligt att kompilatorer kommer att utformas för att maximera antalet termodynamiskt reversibla operationer inom konventionella datorarkitekturer. När vi börjar överväga datorer som är konstruerade av mycket små och snabba logiska grindar, som i nanocomputing, blir reversibilitet en viktig funktion för att hålla energispridning på acceptabla nivåer.

Forskning inom reversibel databehandling idag hålls banbrytande av MIT, vars pendelprojekt specifikt skapades för att utforma en helt reversibel datorarkitektur. Eftersom den maximala uppnåliga datoreffektiviteten nödvändigtvis består av reversibla arkitekturer är detta forskningsområde oumbärligt om kraften och ekonomin i våra datorer fortsätter att öka.