Fantastiskais atgriezeniskās skaitļošanas solījums

Datortehnikas pasaule ir pārejas posmā. Tā kā skaidas kļūst mazākas un ātrākas, tās izkliedē vairāk siltuma, kas ir enerģija, kas tiek pilnībā izniekota.

Saskaņā ar dažiem aprēķiniem starpība starp enerģijas daudzumu, kas nepieciešams aprēķinu veikšanai, un daudzumu, ko faktiski izmanto mūsdienu datori, ir aptuveni astoņas kārtas. Skaidrs, ka ir vietas uzlabojumiem.

Tāpēc tiek meklēti efektīvāki aprēķinu veidi, un iespēju netrūkst.

Viens no ārējiem skrējējiem sacīkstēs par loģikas pasaules pārņemšanu ir atgriezeniskā skaitļošana. Ar to datorzinātnieki saprot aprēķinus, kas notiek soļos, kas ir atgriezeniski laika gaitā.

Tātad, ja loģiskie vārti maina ievadi X par izvadi Y, tad notiek apgriezta darbība, kas apgriež šo soli. Būtiski, ka tiem jābūt kartējumiem viens pret vienu, kas nozīmē, ka dotā ievade rada vienu unikālu izvadi.

Šīs prasības attiecībā uz atgriezeniskumu nosaka stingrus ierobežojumus fizisko sistēmu veidiem, kas var veikt šāda veida darbu, nemaz nerunājot par to projektēšanu un ražošanu. Parastās datoru mikroshēmas nav piemērotas — to loģiskie vārti nav atgriezeniski, un tiem ir arī cita problēma.

Ja parastie loģiskie vārti rada vairākas izejas, dažas no tām netiek izmantotas un to ģenerēšanai nepieciešamā enerģija tiek vienkārši zaudēta. Tie ir pazīstami kā atkritumu stāvokļi. Atkritumu izplūdes samazināšana ir viens no galvenajiem mērķiem atgriezeniskās loģikas projektēšanā un sintēzē, saka Himanshu Thapliyal un Nagarajan Ranganathan no Dienvidfloridas universitātes.

Šodien viņi piedāvā jaunu veidu, kā noteikt aprēķinos esošās kļūdas, un saka, ka viņu metode ir ideāli piemērota atgriezeniskajai skaitļošanai un, vēl jo vairāk, dabiski samazina aprēķinu radīto atkritumu stāvokļu skaitu.

Pirms aplūkojam viņu pieeju, ātri apskatīsim parasto kļūdu noteikšanas metodi. Tas vienkārši ietver aprēķinu veikšanu divas reizes un rezultātu salīdzināšanu. Ja tie ir vienādi, tad aprēķins tiek uzskatīts par bez kļūdām.

Šai metodei ir acīmredzams ierobežojums, ja gan sākotnējais aprēķins, gan tā dublēšana rada vienu un to pašu kļūdu.

Thapliyal un Ranganathan ir atšķirīga pieeja, kas novērš šo problēmu. Ja atgriezenisks aprēķins rada virkni izvadu, tad šo izvadu apgrieztajam aprēķinam jāatveido sākotnējie stāvokļi.

Tāpēc viņu ideja ir veikt apgriezto aprēķinu izvades stāvokļiem, un, ja tas atveido sākotnējos stāvokļus, tad aprēķins ir bez kļūdām. Un, tā kā tas balstās uz atgriezeniskām loģiskām darbībām, tas, protams, samazina atkritumu stāvokļu daudzumu, kas rodas starplaikā.

Protams, ir viens vai divi brīdinājumi. Pirmais ir tas, ka nevienam nav izdevies izveidot pareizi atgriezeniskus loģikas vārtus, tāpēc šis darbs ir pilnībā teorētisks.

Taču ir vairākas skaitļošanas shēmas, kurām ir potenciāls šādi darboties. Thapliyal un Ranganathan īpaši norāda uz jauno kvantu šūnu automātu tehnoloģiju un parāda, kā to pieeju varētu piemērot.

Šīs pieejas skaistums ir tāds, ka tai ir potenciāls būt bez izkliedēšanas. Tātad tas ne tikai patērēs daudz mazāk enerģijas nekā parastā skaitļošana, bet arī nemaz nezaudēs enerģiju. Vismaz teorētiski.

No pirmā acu uzmetiena šķiet, ka tas ir pretrunā vienam no datorzinātņu pamatiem: Rolfa Landauera principam, ka, izdzēšot nedaudz informācijas, neliels enerģijas daudzums vienmēr izkliedējas kā siltums. Tas ir galvenais iemesls, kāpēc parastās mikroshēmas kļūst tik karstas.

Taču šis princips nav jāpiemēro atgriezeniskajai skaitļošanai, jo, ja netiek izdzēsti biti, enerģija netiek izkliedēta. Faktiski atgriezeniskās skaitļošanas efektivitātei nav zināmu ierobežojumu. Ja var atrast pilnīgi atgriezenisku fizisku procesu bitu pārnēsāšanai un apstrādei, tad skaitļošana var kļūt bez izkliedes.

Šobrīd tas ir mežonīgs sapnis. Taču nākamajos gados, kad kvantu procesi sāks spēlēt lielāku lomu visu veidu aprēķinos, mēs, iespējams, dzirdēsim daudz vairāk par atgriezenisko skaitļošanu un tās potenciālu samazināt skaitļošanā izšķērdēto enerģiju.

Atsauce: arxiv.org/abs/1101.4222 : uz atgriezenisku loģiku balstīta vienlaicīgu kļūdu noteikšanas metodika jaunām nanoshēmām

paslēpties