Det fantastiska löftet om reversibel datoranvändning

Datorvärlden är i förändring. När flisen blir mindre och snabbare avleder de mer värme, vilket är energi som är helt bortkastad.

Enligt vissa uppskattningar är skillnaden mellan mängden energi som krävs för att utföra en beräkning och mängden som dagens datorer faktiskt använder cirka åtta storleksordningar. Det är klart att det finns utrymme för förbättringar.

Så sökningen pågår för att hitta effektivare beräkningsformer, och det råder ingen brist på alternativ.

En av de externa löparna i kapplöpningen om att ta logikens värld med storm är reversibel datoranvändning. Med det menar datavetare beräkningar som sker i steg som är tidsreversibla.

Så om en logisk grind ändrar en ingång X till en utgång Y, så finns det en omvänd operation som vänder på detta steg. Avgörande är att dessa måste vara en-till-en-mappningar, vilket innebär att en given indata producerar en enda unik utdata.

Dessa krav på reversibilitet sätter snäva begränsningar för vilka typer av fysiska system som kan utföra denna typ av arbete, för att inte tala om deras design och tillverkning. Vanliga datorchips kvalificerar inte – deras logiska grindar är inte reversibla och de lider också av ett annat problem.

När konventionella logiska grindar producerar flera utgångar, används en del av dessa inte och energin som krävs för att generera dem går helt enkelt förlorad. Dessa är kända som skräpstater. Minimering av sopor är ett av huvudmålen inom reversibel logikdesign och syntes, säger Himanshu Thapliyal och Nagarajan Ranganathan vid University of South Florida.

Idag föreslår de ett nytt sätt att upptäcka fel i beräkningar och säger att deras metod är idealiskt tillämpbar på reversibel beräkning och dessutom minskar naturligtvis antalet skräptillstånd som en beräkning producerar.

Innan vi tittar på deras tillvägagångssätt, låt oss snabbt gå igenom en konventionell metod för feldetektering. Detta innebär helt enkelt att göra beräkningen två gånger och jämföra resultaten. Om de är samma anses beräkningen vara felfri.

Denna metod har en uppenbar begränsning om den ursprungliga beräkningen och dess duplicering båda gör samma fel.

Thapliyal och Ranganathan har ett annat tillvägagångssätt som kommer runt detta problem. Om en reversibel beräkning producerar en serie utsignaler, bör den omvända beräkningen på dessa utgångar reproducera de ursprungliga tillstånden.

Så deras idé är att utföra den omvända beräkningen av utgångstillstånden och om detta reproducerar de ursprungliga tillstånden är beräkningen felfri. Och eftersom detta förlitar sig på reversibla logiska steg, minimerar det naturligtvis mängden skräptillstånd som produceras däremellan.

Det finns en eller två varningar, naturligtvis. Den första är att ingen har lyckats bygga en ordentligt vändbar logisk port så detta arbete är helt teoretiskt.

Men det finns ett antal datorsystem som har potential att fungera så här. Thapliyal och Ranganathan pekar särskilt på den framväxande teknologin för kvantcellulära automater och visar hur deras tillvägagångssätt kan tillämpas.

Det fina med detta tillvägagångssätt är att det har potentialen att vara försvinnandefritt. Så det skulle inte bara använda mycket mindre energi än konventionella datorer, det behöver inte förlora någon energi alls. Åtminstone i teorin.

Vid en första anblick verkar det motsäga en av grunderna för datavetenskap: Rolf Landauers princip att radering av lite information alltid försvinner en liten mängd energi som värme. Detta är den grundläggande anledningen till att konventionella marker blir så varma.

Men denna princip behöver inte gälla för reversibel beräkning eftersom om inga bitar raderas, försvinner ingen energi. Det finns faktiskt ingen känd gräns för effektiviteten av reversibel datoranvändning. Om en perfekt reversibel fysisk process kan hittas för att bära och bearbeta bitarna, kan datoranvändning bli förlustfri.

För tillfället är det en vild dröm. Men under de närmaste åren, när kvantprocesser börjar spela en större roll i beräkningar av alla slag, kan vi mycket väl höra mycket mer om reversibel datoranvändning och dess potential att dra ner på energin som slösas bort i datoranvändning.

Ref: arxiv.org/abs/1101.4222 : Reversibel logikbaserad metod för samtidig feldetektering för nya nanokretsar

Dölj