可逆計算將在 2025 年逃離實(shí)驗室

Michael Frank 的職業(yè)生涯一直是一名學(xué)術(shù)研究員，在計算機工程的一個(gè)非常特殊的領(lǐng)域工作了三十多年。根據 Frank 的說(shuō)法，這個(gè)奇特的利基市場(chǎng)終于到了?！敖衲暝缧r(shí)候，我決定現在是嘗試將這種東西商業(yè)化的合適時(shí)機，”Frank 說(shuō)。2024 年 7 月，他辭去了桑迪亞國家實(shí)驗室高級工程科學(xué)家的職位，加入了一家總部位于美國和英國的初創(chuàng )公司 Vaire Computing。
Frank 認為，現在是將他畢生的事業(yè)（稱(chēng)為可逆計算）從學(xué)術(shù)界帶入現實(shí)世界的合適時(shí)機，因為計算行業(yè)的能源正在耗盡?！拔覀冊絹?lái)越接近提高傳統芯片能效的終點(diǎn)，”Frank 說(shuō)。根據 Frank 幫助編輯的 IEEE 半導體行業(yè)路線(xiàn)圖報告，到本十年后期，傳統數字邏輯的基本能效將趨于穩定，“這將需要更多非常規的方法，就像我們正在追求的那樣，”他說(shuō)。

隨著(zhù)摩爾定律的跌跌撞撞，以及以能源為主題的表親庫米定律的放緩，可能需要一種新的范式來(lái)滿(mǎn)足當今世界日益增長(cháng)的計算需求。根據 Frank 在阿爾伯克基桑迪亞的研究，與傳統方法相比，可逆計算可提供高達 4,000 倍的能源效率提升。
“摩爾定律有點(diǎn)崩潰了，或者說(shuō)真的放慢了速度，”Zettaflops 的創(chuàng )始人 Erik DeBenedictis 說(shuō)，他與 Vaire 無(wú)關(guān)?！?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/可逆計算">可逆計算是重振摩爾定律或進(jìn)一步提高能源效率的少數選項之一?！?br/>Vaire 的第一個(gè)原型預計將于 2025 年第一季度制造，但目標不那么雄心勃勃——它正在生產(chǎn)一種芯片，該芯片首次回收了算術(shù)電路中使用的能量。下一款芯片預計將于 2027 年上市，將是專(zhuān)門(mén)用于 AI 推理的節能處理器。4,000 倍的能源效率改進(jìn)在 Vaire 的路線(xiàn)圖上，但可能需要 10 年或 15 年。
“我覺(jué)得這項技術(shù)很有前途，”田納西大學(xué)諾克斯維爾分校電氣工程和計算機科學(xué)副教授 Himanshu Thapliyal 說(shuō)，他與 Vaire 無(wú)關(guān)?！暗泊嬖谝恍┨魬?，希望 Vaire Computing 能夠克服一些挑戰?！?br/>
什么是可逆計算？
直覺(jué)上，信息似乎是一個(gè)短暫的抽象概念。但在 1961 年，IBM 的 Rolf Landauer 發(fā)現了一個(gè)令人驚訝的事實(shí)：擦除計算機中的一點(diǎn)信息必然會(huì )消耗能量，而能量會(huì )以熱量的形式流失。Landauer 突然想到，如果你在不擦除任何信息的情況下進(jìn)行計算，或者說(shuō)是“可逆地”進(jìn)行計算，那么至少在理論上，你可以在根本不使用任何能源的情況下進(jìn)行計算。
蘭道爾本人認為這個(gè)想法不切實(shí)際。如果要存儲每個(gè) Importing 和中間計算結果，則很快就會(huì )用不必要的數據填滿(mǎn)內存。但 Landauer 的繼任者 IBM 的 Charles Bennett 發(fā)現了這個(gè)問(wèn)題的解決方法。不僅可以將中間結果存儲在內存中，還可以在不再需要該結果時(shí)反轉計算或“取消計算”。這樣，只需要存儲原始輸入和最終結果。
舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，例如異 OR 或 XOR 門(mén)。通常，門(mén)是不可逆的 — 有兩個(gè) inputs，只有一個(gè) output，知道 output 并不能為您提供有關(guān)輸入內容的完整信息?？梢酝ㄟ^(guò)添加額外的 output（原始 inputs之一的副本）來(lái)可逆地完成相同的計算。然后，使用這兩個(gè) outputs，可以在 decomputation 步驟中恢復原始 Importing。

傳統的互斥 OR （XOR） 門(mén)是不可逆的 — 您不能僅通過(guò)知道輸出來(lái)恢復輸入。添加額外的 output，只是其中一個(gè) inputs 的副本，使其可逆。然后，這兩個(gè)輸出可用于“反計算”XOR 門(mén)并恢復輸入，以及計算中使用的能量。

這個(gè)想法在學(xué)術(shù)界越來(lái)越受歡迎，在 1990 年代，在麻省理工學(xué)院的 Thomas Knight 手下工作的幾名學(xué)生開(kāi)始了一系列可逆計算芯片的原理驗證演示。其中一位學(xué)生是弗蘭克。雖然這些演示表明可逆計算是可能的，但電光插頭的功耗不一定會(huì )減少：盡管電力在電路本身內部恢復，但隨后在外部電源中丟失。這就是 Vaire 著(zhù)手解決的問(wèn)題。


在 CMOS 中進(jìn)行可逆計算
Landauer 限制給出了能源信息擦除成本的理論最小值，但沒(méi)有最大值。今天的 CMOS 實(shí)現使用比理論上可能的 1000 倍以上的能量來(lái)擦除一個(gè)比特。這主要是因為晶體管需要保持高信號能量以確?？煽啃?，并且在正常運行下，所有這些都會(huì )以熱量的形式消散。
為了避免這個(gè)問(wèn)題，已經(jīng)考慮了可逆電路的許多替代物理實(shí)現，包括超導計算機、分子機器，甚至活細胞。然而，為了使可逆計算切實(shí)可行，Vaire 的團隊堅持使用傳統的 CMOS 技術(shù)?！翱赡嬗嬎阋呀?jīng)足夠具有顛覆性了，”Vaire 首席技術(shù)官兼聯(lián)合創(chuàng )始人 Hannah Earley 說(shuō)?！拔覀儾幌胪瑫r(shí)破壞其他一切?！?br/>為了使 CMOS 與可逆性完美配合，研究人員必須想出聰明的方法來(lái)恢復和再循環(huán)這些信號能量?！澳壳斑€不清楚如何讓 CMOS 可逆地運行，”Earley 說(shuō)。
減少晶體管使用過(guò)程中產(chǎn)生不必要熱量的主要方法（絕熱運行）是緩慢增加控制電壓，而不是突然升高或降低。Earley 認為，這可以在不增加額外計算時(shí)間的情況下完成，因為目前晶體管開(kāi)關(guān)時(shí)間保持相對較慢，以避免產(chǎn)生過(guò)多的熱量。因此，您可以保持開(kāi)關(guān)時(shí)間不變，只需更改進(jìn)行開(kāi)關(guān)的波形，從而節省能源。然而，絕熱開(kāi)關(guān)確實(shí)需要一些東西來(lái)產(chǎn)生更復雜的斜坡波形。
從 0 到 1 翻轉一點(diǎn)，將晶體管上的柵極電壓從低電平變?yōu)楦唠娖綘顟B(tài)，仍然需要能量。訣竅是，只要你不將能量轉化為熱量，而是將大部分能量?jì)Υ嬖诰w管本身中，你就可以在反計算步驟中回收大部分能量，在這個(gè)步驟中，任何不再需要的計算都會(huì )被逆轉。Earley 解釋說(shuō)，回收該能量的方法是將整個(gè)電路嵌入諧振器中。
諧振器有點(diǎn)像一個(gè)擺動(dòng)的鐘擺。如果沒(méi)有來(lái)自鐘擺鉸鏈或周?chē)諝獾哪Σ?，鐘擺將永遠擺動(dòng)，每次擺動(dòng)都會(huì )上升到相同的高度。在這里，鐘擺的擺動(dòng)是為電路供電的電壓的上升和下降。在每次上升時(shí)，執行一個(gè)計算步驟。在每次下降時(shí)，都會(huì )執行一次反計算，以回收能量。
在每一個(gè)實(shí)際的實(shí)現中，每次擺動(dòng)仍然會(huì )損失一定量的能量，因此鐘擺需要一些動(dòng)力來(lái)保持它繼續前進(jìn)。但 Vaire 的方法為最大限度地減少這種摩擦鋪平了道路。將電路嵌入諧振器中，同時(shí)會(huì )產(chǎn)生絕熱晶體管開(kāi)關(guān)所需的更復雜的波形，并提供回收節省的能量的機制。

通往商業(yè)可行性的漫漫長(cháng)路
盡管之前已經(jīng)提出了將可逆邏輯嵌入諧振器的想法，但還沒(méi)有人構建出將諧振器片上與計算內核集成的諧振器。Vaire 的團隊正在努力開(kāi)發(fā)這款芯片的第一個(gè)版本。最簡(jiǎn)單的諧振器，也是團隊首先解決的諧振器，是電感電容 （LC） 諧振器，其中電容器的作用由整個(gè)電路扮演，片上電感器用于保持電壓振蕩。
Vaire 計劃在 2025 年初送去制造的芯片將是嵌入 LC 諧振器中的可逆加法器。該團隊還在開(kāi)發(fā)一種芯片，該芯片將執行乘法累加運算，這是大多數機器學(xué)習應用中的基本計算。在接下來(lái)的幾年里，Vaire 計劃設計第一款專(zhuān)門(mén)用于 AI 推理的可逆芯片。
Frank 說(shuō)：“我們的一些早期測試芯片可能是低端系統，尤其是功率受限的環(huán)境，但不久之后，我們也開(kāi)始針對高端市場(chǎng)。
LC 諧振器是在 CMOS 中實(shí)現的最直接方法，但它們的品質(zhì)因數相對較低，這意味著(zhù)電壓擺錘會(huì )以一些摩擦運行。Vaire 團隊還致力于集成微機電系統 （MEMS） 諧振器版本，該版本更難集成到芯片上，但有望實(shí)現更高的質(zhì)量因數（更少的摩擦）。Earley 預計基于 MEMS 的諧振器最終將提供 99.97% 的無(wú)摩擦運行。
在此過(guò)程中，該團隊正在為可逆計算設計新的可逆邏輯門(mén)架構和電子設計自動(dòng)化工具?！拔艺J為，我們的大部分挑戰將在于定制制造和異質(zhì)集成，以便將高效的諧振器電路與邏輯結合在一個(gè)集成產(chǎn)品中，”Frank 說(shuō)。
Earley 希望這些是公司能夠克服的挑戰?！霸瓌t上，這使 [我們] 在未來(lái) 10 到 15 年內能夠將性能提高 4,000 倍，”她說(shuō)?！罢娴?，這將取決于你能得到多好的諧振器?！?/p>