„Изчисляване на импулса“ избутва термодинамичните граници на технологията


В случай, че не сте забелязали, компютрите са горещи – буквално. Един лаптоп може да изпомпва топлина от бедрата, докато центровете за данни консумират приблизително 200 тераватчаса всяка година – сравнимо с консумацията на енергия в някои средни страни. Въглеродният отпечатък на информационните и комуникационни технологии като цяло е близък до този на използването на гориво в авиационната индустрия. И тъй като компютърните схеми стават все по-малки и по-гъсто опаковани, стават по-податливи на топене от енергията, която разсейва като топлина.

Сега физикът Джеймс Кътчфийлд от Калифорнийския университет в Дейвис и неговият аспирант Кайл Рей предложиха нов начин за извършване на изчисления, които биха разсейват само малка част от топлината произведени от конвенционални схеми. Всъщност техният подход, описан в скорошна предпечатна статия, би могъл да доведе разсейването на топлината под дори теоретичния минимум, който законите на физиката налагат на днешните компютри. Това може значително да намали енергията, необходима както за извършване на изчисления, така и за поддържане на веригата хладна. И всичко това може да се направи, казват изследователите, с помощта на микроелектронни устройства, които вече съществуват.

През 1961 г. физикът Ролф Ландауер от изследователския център Thomas J. Watson на IBM в Йорктаун Хайтс, Ню Йорк, показа, че конвенционалните изчисления налагат неизбежна цена в разсейването на енергията – основно в генерирането на топлина и ентропия. Това е така, защото конвенционалният компютър трябва понякога да изтрива битове информация в своите вериги на паметта, за да освободи място за повече. Всеки път, когато един бит (със стойност 1 или 0) се нулира, определено минимално количество енергия се разсейва – което Рей и Кръчфийлд са кръстили „Ландауерът“. Стойността му зависи от температурата на околната среда: във вашата всекидневна един Ландауер би бил около 10–21 джаул. (За сравнение, запалена свещ излъчва от порядъка на 10 джаула енергия в секунда.)

Компютърните учени отдавна са признали, че ограничението на Ландауер за това колко малко топлина произвежда едно изчисление може да бъде подбито чрез не изтриване на всякаква информация. Изчислението, извършено по този начин, е напълно обратимо, защото изхвърлянето на никаква информация означава, че всяка стъпка може да бъде проследена. Може да звучи така, сякаш този процес бързо ще запълни паметта на компютъра. Но през 70-те години на миналия век Чарлз Бенет, също от TJ Watson, показа, че вместо да изхвърли информацията в края на изчислението, човек може да го настрои да „деизчисли“ междинни резултати, които вече не са необходими, като обърне логическите им стъпки и върне компютъра. към неговото оригинално състояние.

Уловката е, че за да се избегне пренасянето на каквато и да е топлина – тоест да бъде това, което физиците наричат ​​адиабатен процес – поредицата от логически операции в изчислението обикновено трябва да се извършва безкрайно бавно. В известен смисъл този подход избягва всякакво „нагряване с триене“ в процеса, но с цената на безкрайно много време за завършване на изчислението.

Тогава едва ли изглежда практично решение. „Конвенционалната мъдрост от дълго време е, че разсейването на енергията при обратимите изчисления е пропорционално на скоростта“, казва компютърният учен Майкъл Франк от Sandia National Laboratories в Албакърки, Ню Йорк

До границата – и отвъд

Изчисленията, базирани на силиций, така или иначе не се доближават до границата на Ландауер: в момента такива изчисления произвеждат около няколко хиляди Ландауери топлина на логическа операция и е трудно да се види как дори някой свръхефективен силициев чип от бъдещето може да падне под 100 или нещо повече . Но Рей и Кръчфийлд казват, че е възможно да се направи по-добре, като се кодира информация в електрически токове по нов начин: не като импулси на заряд, а в импулса на движещите се частици. Те казват, че това би позволило изчисленията да се извършват обратимо, без да се налага да се жертва скоростта.

Двамата изследователи и техните колеги представиха основната идея за изчисляване на инерцията миналата година. Ключовата концепция е, че импулсът на частицата с битово кодиране може да осигури вид памет „безплатно“, защото носи информация за миналото и бъдещото движение на частицата, а не само за моментното й състояние. „Преди това информацията се съхраняваше позиционно: „Къде е частицата?““ казва Кръчфийлд. Например, е даден електрон в това канал или че един? „Изчисляването на инерцията използва информация в позиция и по скорост”, казва той.

След това тази допълнителна информация може да бъде използвана за обратими изчисления. За да работи идеята, логическите операции трябва да се извършват много по-бързо от времето, необходимо на бита, за да влезе в термично равновесие със заобикалящата го среда, което ще рандомизира движението на бита и ще разбърка информацията. С други думи, „импульсно изчисление изисква че устройството работи с висока скорост“, казва Кръчфийлд. За да работи, „трябва да изчислявате бързо“ – тоест неадиабатично.

Изследователите обмислят как да използват идеята за реализиране на логическа операция, наречена размяна на битове, при което два бита едновременно обръщат стойността си: 1 става 0 и обратно. Тук не се изхвърля информация; просто е преконфигуриран, което означава, че на теория не носи никаква цена за изтриване.

И все пак, ако информацията е кодирана само в позицията на частица, размяната на битове – да речем, превключването на частици между ляв канал и десен канал – означава, че техните идентичности се кодират и следователно не могат да бъдат разграничени от техните “преди” и ” след” гласи. Но ако частиците имат противоположни импулси, те остават различни, така че операцията създава истинска и обратима промяна.

Практично устройство

Рей и Кръчфийлд са описали как тази идея може да бъде приложена в практическо устройство – по-специално в квантови битове на свръхпроводящ поток или кубити, които са стандартните битове, използвани за повечето от днешните квантови компютри. „Ние сме паразити в общността на квантовите компютри!“ Кътчфийлд весело признава. Тези устройства се състоят от вериги от свръхпроводящ материал, прекъснати от структури, наречени кръстовища на Джоузефсън (JJs), където тънък слой от не-свръхпроводящ материал е поставен между два свръхпроводника.

Информацията в JJ веригите обикновено се кодира в посоката на тяхната т. нар. циркулация на свръхток, който може да се превключва с помощта на микровълново излъчване. Но тъй като свръхтокове носят инерция, те могат да се използват и за изчисляване на импулса. Рей и Кръчфийлд извършиха симулации, които предполагат, че при определени условия JJ вериги трябва да могат да поддържат техния подход за изчисление на инерцията. Ако се охлади до температури с течен хелий, схемата може да извърши една операция за смяна на битове за по-малко от 15 наносекунди.

„Докато нашето предложение се основава на специфичен субстрат, за да бъде възможно най-конкретна и за точно оценка на необходимите енергии“, казва Кръчфийлд, „предложението е много по-общо от това“. По принцип трябва да работи с нормални (макар и криогенно охладени) електронни схеми или дори с малки, внимателно изолирани механични устройства, които могат да пренасят импулс (и по този начин да извършват изчисления) в своите движещи се части. Подход със свръхпроводящи битове обаче може да бъде особено подходящ, казва Кръчфийлд, защото „това е позната микротехнология, за която е известно, че се увеличава много добре“.

Кръчфийлд трябва да знае: Работейки с Майкъл Рукс и неговите сътрудници в Калифорнийския технологичен институт, Кръчфийлд преди това е измервал разходите за изтриване на един бит в устройство на JJ и е показал, че е близо до границата на Ландауер. През 80-те години на миналия век Кръчфийлд и Рукс дори служиха като консултанти за опита на IBM да изгради обратим компютър JJ, който в крайна сметка беше изоставен поради твърде взискателните по онова време изисквания за производство.

Следвайте подскачащата топка

Използването на скоростта на частицата за изчисление не е съвсем нова идея. Изчисляването на импулса е много аналогично на концепцията за обратимо изчисление, наречена балистично изчисление, която беше предложена през 80-те години на миналия век: в нея информацията се кодира в обекти или частици, които се движат свободно през веригите по своя собствена инерция, носейки със себе си някакъв сигнал, който се използва многократно за изпълнение на много логически операции. Ако частицата взаимодейства еластично с други, тя няма да загуби никаква енергия в процеса. В такова устройство, след като балистичните битове са „стартирани“, те сами захранват изчислението без никаква друга входяща енергия. Изчислението е обратимо, докато битовете продължават да подскачат по траекториите си. Информацията се изтрива само и енергията се разсейва само когато се разчитат техните състояния.

Докато при балистичните изчисления скоростта на частицата просто я транспортира през устройството, позволявайки на частицата да пренася информация от вход към изход, Кръчфийлд казва, че при изчисляването на инерцията скоростта и позицията на частицата заедно позволяват да въплъщава уникална и недвусмислена последователност от състояния по време на изчисление. Това последно обстоятелство е ключът към обратимостта и по този начин към ниското разсейване, добавя той, защото може да разкрие къде точно е била всяка частица.

Изследователи, вкл Франк, са работили върху балистични обратими изчисления от десетилетия. Едно предизвикателство е, че в първоначалното си предложение балистичните изчисления са динамично нестабилни, тъй като например сблъсъците на частици могат да бъдат хаотични и следователно силно чувствителни към най-малките случайни флуктуации: тогава те не могат да бъдат обърнати. Но изследователите са постигнали напредък в разрешаването на проблемите. В скорошна хартия за предпечатКевин Озборн и Уолтраут Вустман, и двамата от Университета на Мериленд, предложиха JJ вериги да се използват за създаване на обратима балистична логическа верига, наречена регистър на смяна, в която изходът на един логически порт става вход на следващия в поредица на „тригер“ операции.

„Свръхпроводящите вериги са добра платформа за тестване на обратими вериги“, казва Осборн. Неговите JJ кръгове, добавя той, изглеждат много близки до тези, определени от Рей и Кръчфийлд и следователно може да са най-добрият кандидат за тестване на тяхната идея.

„Бих казал, че всички наши групи са работили от интуицията, че тези методи могат да постигнат по-добър компромис между ефективност и скорост от традиционните подходи към обратими изчисления“, казва Франк. Рей и Кръчфийлд „вероятно са свършили най-задълбочената работа досега, за да демонстрират това на нивото на теорията и симулацията на отделни устройства“. Въпреки това Франк предупреждава, че всички различни подходи за балистични и инерционни изчисления „все още са далеч от превръщането им в практична технология“.

Кръчфийлд е по-оптимист. „Наистина зависи от това да накараме хората да подкрепят увеличаването“, казва той. Той смята, че малки JJ вериги за изчисление на импулс с ниска разсейване биха могли да бъдат осъществими след няколко години, като пълните микропроцесори ще дебютират през това десетилетие. В крайна сметка той очаква, че изчисленията за инерция от потребителски клас биха могли да реализират печалби на енергийна ефективност от 1000 пъти или повече в сравнение с настоящите подходи. “Представям си [if] вашата сървърна ферма на Google, разположена в гигантски склад и използваща 1000 киловата за изчисления и охлаждане [was instead] намалява само до един киловат – еквивалентно на няколко крушки с нажежаема жичка“, казва Кръчфийлд.

Но ползите от новия подход, казва Кръчфийлд, могат да бъдат по-широки от практическото намаляване на разходите за енергия. „Изчисляването на импулса ще доведе до концептуална промяна в начина, по който виждаме обработката на информация в света“, казва той – включително как информацията се обработва в биологичните системи.