Tại sao cổng đảo ngược không được sử dụng?

Tôi đang đọc cuốn sách "Điểm kỳ dị gần kề" được viết bởi Kurzweil và anh ấy đã đề cập đến các cổng đảo ngược như ví dụ cổng Fredkin . Lợi thế của việc sử dụng các cổng như vậy là chúng ta có thể loại bỏ chất thải nhiệt liên quan đến tính toán trong đó các bit biến mất thành nhiệt và tính toán sẽ không cần bất kỳ đầu vào năng lượng nào. Những giả định đó làm cho những cánh cổng này nghe giống như một giải pháp thần kỳ. Vì vậy, câu hỏi là những rào cản kỹ thuật vẫn đang ngăn chặn việc sử dụng quy mô lớn của họ.

Tôi cũng nghĩ rằng thật xấu hổ khi tôi chưa bao giờ nghe về những cánh cổng đó trong chương trình cử nhân kỹ sư điện và thạc sĩ tại một trường đại học hàng đầu của Đức ...

Tôi không có nghĩa là một chuyên gia về chủ đề này, nhưng chỉ là tình cờ đọc Wikipedia:

nó dựa vào chuyển động của những quả bóng bi-a hình cầu trong một môi trường không có ma sát làm từ các bộ đệm mà các quả bóng nảy hoàn hảo

... điều này nghe có vẻ rất thực tế.

Không ai thực sự tìm ra cách thực sự tạo ra những cánh cổng như vậy, chúng chỉ đơn thuần là lợi ích lý thuyết. Điều đó có thể giải thích tại sao bạn chưa bao giờ nghe nói về họ vì kỹ thuật thường liên quan đến thực tiễn.

Tiền đề của tính toán đảo ngược là khi một chút biến mất, một lượng nhiệt được tạo ra. Bằng cách sử dụng các cổng đảo ngược, không có bit nào xuất hiện hoặc biến mất nên việc tính toán được cho là có thể hiệu quả hơn nhiều với các cổng đảo ngược.

Giới hạn lý thuyết Yêu cầu tính toán đảo ngược để có được xung quanh là việc xóa 1 bit thông tin sẽ tạo ra ít nhất năng lượng trong nhiệt. Đối với một máy tính chạy ở tốc độ với bóng bán dẫn, mỗi bit làm cho biến mất ở tốc độ , tương ứng với của sự sinh nhiệt. Điều đó chỉ chiếm một tỷ lệ nhỏ ( ) trong việc sử dụng năng lượng của máy tính.$kT\ln 2$10 9$60\,{}^\circ\mathrm{C}$$10^9$$5\,\mathrm{GHz}$ 1 /$16\,\mathrm{mW}$$1/10000$

Các máy tính ngày nay của chúng tôi không bị giới hạn bởi sự sinh nhiệt liên quan đến các bit biến mất. Chúng bị hạn chế bởi sự kém hiệu quả vốn có trong việc di chuyển các electron xung quanh trên các dấu vết đồng nhỏ.

Vấn đề với các cổng đảo ngược thực tế (cổng có thể (và đã được chế tạo bằng silicon) là mức tiết kiệm năng lượng thực tế tỷ lệ tuyến tính với tốc độ bạn chạy chúng chậm .

Tôi biết rằng nhóm nghiên cứu của Tom Knight tại MIT đã chế tạo một bộ xử lý nhỏ đáng tin cậy vào cuối những năm 1990. Họ logic thực tế mà họ phát triển được gọi là logic phục hồi điện tích mức chia và có thể được thực hiện bằng các kỹ thuật chế tạo tiêu chuẩn (CMOS). Tôi tin rằng công việc đã được Michael P Frank tiếp tục tại Đại học bang Florida. Một ví dụ về công việc trong nhóm của Tom Knight là luận án thạc sĩ sau (có phần khá hay về công việc liên quan đến đầu những năm 1990.) Vieri, CJ: Pendulum: Kiến trúc máy tính có thể đảo ngược , Luận văn thạc sĩ, MIT EECS, 1995.

Các mạch đảo ngược cần phải được tin cậy (không thể có sự trao đổi nhiệt giữa mạch và môi trường của nó), điều đó có nghĩa là chúng phải luôn ở trạng thái cân bằng. Đối với bất kỳ quá trình nào cần thay đổi một cái gì đó, bạn chỉ có thể cân bằng gần đúng bằng cách thực hiện thay đổi xảy ra càng chậm càng tốt.

Nếu tôi nhớ chính xác nhiệt động lực học của mình, bạn có thể làm cho năng lượng của một phép tính đảo ngược nhỏ tùy ý, nhưng hành động tối thiểu (thời gian năng lượng) phải là một hằng số nhỏ.

Rào cản lớn nhất ngăn cản việc sử dụng quy mô lớn của họ cũng giống như đối với các mạch không đồng bộ và gần như bất kỳ thiết kế mạch không chuẩn nào khác: định luật Moore.

Định luật Moore đã trở thành một điều gì đó của một lời tiên tri tự hoàn thành; như được thấy trong Lịch phát hành Tick Tock , các nhà sản xuất chip coi việc thực hiện luật Moore là một thách thức. Do nhu cầu thực hiện luật của Moore, chúng tôi đã ngày càng tinh tế hơn trong việc giảm kích thước chip bằng cách tiến hành in thạch bản (và thường bằng cách sử dụng các mánh gian lận, như đa phương tiện).

Tất cả những điều này có liên quan gì đến cổng đảo ngược? Khi các xưởng đúc đua nhau phát hành kích thước bóng bán dẫn mới hơn và nhỏ hơn, các công ty muốn in chip mới thấy một con đường dễ dàng hướng tới tốc độ tăng bằng cách thêm nhiều bộ đệm và làm lại các thiết kế thông thường của họ để sử dụng bộ đệm đó tốt hơn.

Kẻ giết người tốt hơn không phải là công nghệ; đó là thành công của đủ tốt .

Các thiết bị tính toán hữu ích yêu cầu phản hồi, điều này cho phép có một phần tử mạch thực hiện số lượng tính toán tuần tự về cơ bản không giới hạn. Các mạch phản hồi có thể sử dụng phải chứa các phần có tổng số đầu vào (tính cả hai đầu vào được lấy lại từ đầu ra và các đầu ra không) vượt quá số đầu ra được đưa trở lại đầu vào (cách duy nhất số lượng đầu vào sẽ không ' t vượt quá số lượng đầu ra phản hồi sẽ là nếu các mạch không đáp ứng theo bất kỳ cách nào đối với các kích thích bên ngoài). Kể từ khi hoàn hảo chức năng đảo ngược logic không thể có đầu vào nhiều hơn đầu ra, nó không thể xây dựng từ họ bất kỳ của các cấu trúc thông tin phản hồi cần thiết để thực hiện bất kỳ tác vụ tính toán không tầm thường lặp đi lặp lại. Lưu ý rằng với công nghệ CMOS được sử dụng trong các máy tính ngày nay, cần có phản hồi để đảm bảo rằng các kết quả được báo cáo bởi các tính toán ở các phần khác nhau của mạch được cung cấp đồng thời cho các phần khác, vì nếu chúng không có thời gian tương đối mà tín hiệu đến sẽ tạo thành "thông tin" không thể được truyền xuống hoàn hảo; các công nghệ khác có thể có nhiều cổng truyền tín hiệu với tốc độ chính xác như nhau trong khi vẫn giữ được độ đảo ngược, nhưng tôi biết không có công nghệ thực tế nào cho điều đó.

Lưu ý rằng từ góc độ CS, việc biến quy trình tính toán trở nên tầm thường nếu một phương tiện lưu trữ trống ban đầu có kích thước cơ bản tỷ lệ với số bước nhân với số lượng trạng thái có thể thay đổi trong mỗi bước. Khiếu nại này không mâu thuẫn với tuyên bố của đoạn trước, vì lưu trữ tỷ lệ thuận với số bước sẽ yêu cầu mạch tỷ lệ với số bước, điều này sẽ ngụ ý mạch tỷ lệ với số lượng sẽ được yêu cầu nếu tất cả phản hồi được loại bỏ.

Nếu một người được phép có các đầu ra bị bỏ qua nếu, với các điều kiện đầu vào thích hợp, chúng sẽ không bao giờ tăng cao, thì về mặt lý thuyết, có thể thiết kế một hệ thống sẽ có lợi từ logic đảo ngược. Ví dụ: nếu một thuật toán hoạt động trên khối RAM 256 từ và một thuật toán muốn sử dụng "CPU logic đảo ngược" thực hiện 1.000.000 thao tác mỗi giây và mỗi thao tác được cập nhật một thanh ghi, bộ đếm chương trình hoặc một từ RAM, người ta có thể sử dụng "CPU có thể đảo ngược" sẽ:

• đã chạy một loạt các hướng dẫn và, trên mỗi, gửi bất cứ thứ gì được ghi đè lên bộ đệm LIFO
• sau khi một loạt các hướng dẫn đã được thực thi, sao chép RAM vào bộ đệm "chuyển tiếp" trống ban đầu
• sử dụng các giá trị trong LIFO, chạy tất cả các tính toán ngược lại
• ghi đè lên nội dung của RAM chính bằng bộ đệm chuyển tiếp, sẽ bị xóa trong quá trình.

Công thức trên có thể được lặp đi lặp lại bất kỳ số lần nào để chạy thuật toán cho một số bước tùy ý; chỉ bước cuối cùng của công thức sẽ không thể đảo ngược. Lượng năng lượng tiêu tốn cho mỗi bước thuật toán trong các hoạt động không thể đảo ngược sẽ tỷ lệ nghịch với kích thước của LIFO, và do đó có thể được tạo ra nhỏ tùy ý nếu một người đang xây dựng để xây dựng một LIFO đủ lớn.

Tuy nhiên, để có khả năng chuyển thành bất kỳ loại tiết kiệm năng lượng nào, cần phải có một LIFO sẽ lưu trữ năng lượng khi thông tin được đưa vào, và trả lại năng lượng đó một cách hữu ích khi nó được đọc ra. Hơn nữa, LIFO sẽ phải đủ lớn để chứa dữ liệu trạng thái cho đủ các bước mà chi phí năng lượng sử dụng ít hơn lượng năng lượng mà nó tiết kiệm được. Cho rằng lượng năng lượng bị mất trong việc lưu trữ và truy xuất N byte từ bất kỳ FIFO thực tế nào không chắc là O (1), không rõ việc tăng N sẽ có ý nghĩa giảm mức tiêu thụ năng lượng.

Ứng dụng điện toán đảo ngược thực tế là một lĩnh vực nghiên cứu tích cực và có khả năng trở nên nổi bật hơn trong tương lai. Hầu hết các máy tính lượng tử có thể được nhìn thấy đang cố gắng tạo ra các cổng qubit có thể đảo ngược và thực tế rất khó để phù hợp với các tính chất lý thuyết của hình thức QM, nhưng đang tiến triển ổn định.

Một điểm cơ bản khác là giảm năng lượng bất cứ lúc nào trên chip, về cơ bản, nó chuyển hệ thống cổng sang "thuận nghịch hơn" và tiêu tán chip năng lượng thấp hơn là ưu tiên cao trong một thời gian dài trong điện toán di động (đại diện cho một loại sự thay đổi mô hình toàn ngành). Trong nhiều thập kỷ, hiệu suất chip tăng (tương tự như định luật Moore) xuất hiện bằng cách hơi "thoải mái" hoặc thậm chí "cẩu thả" với sự tiêu tán năng lượng nhưng điều đó đã đạt đến mức giảm dần vài năm trước. Nhà sản xuất chip hàng đầu thế giới Intel đang cố gắng xoay quanh các chip năng lượng thấp hơn để cạnh tranh với Arm, công ty có lợi thế sau khi không bao giờ xây dựng bất cứ thứ gì ngoài.

Có một số nghiên cứu gần đây có thể đột phá sử dụng công nghệ siêu dẫn (tháng 6 năm 2014), và có các dự án nghiên cứu tích cực khác trong lĩnh vực này.

Xem ví dụ: cổng logic có thể đảo ngược bằng cách sử dụng các thiết bị siêu dẫn đáng tin cậy / Takeuchi, Yamanashi, Yoshikawa, Thiên nhiên:

Điện toán đảo ngược đã được nghiên cứu kể từ khi Rolf Landauer đưa ra lập luận được gọi là nguyên tắc của Landauer. Nguyên tắc này nói rằng không có sự tiêu tán năng lượng tối thiểu cho các hoạt động logic trong điện toán đảo ngược, bởi vì nó không đi kèm với việc giảm entropy thông tin. Tuy nhiên, cho đến nay, không có cổng logic đảo ngược thực tế đã được chứng minh. Một trong những vấn đề là các cổng logic đảo ngược phải được xây dựng bằng cách sử dụng các thiết bị logic cực kỳ tiết kiệm năng lượng. Một khó khăn khác là các cổng logic đảo ngược phải có thể đảo ngược cả về mặt logic và vật lý. Ở đây chúng tôi đề xuất cổng logic đảo ngược thực tế đầu tiên bằng cách sử dụng các thiết bị siêu dẫn đáng tin cậy và chứng minh bằng thực nghiệm khả năng đảo ngược logic và vật lý của cổng. Ngoài ra, chúng tôi ước tính sự tiêu tán năng lượng của cổng, và thảo luận về sự tiêu tán năng lượng tối thiểu cần thiết cho các hoạt động logic đảo ngược. Dự kiến ​​kết quả của nghiên cứu này sẽ cho phép tính toán đảo ngược để chuyển từ giai đoạn lý thuyết sang sử dụng thực tế.

Cổng Fredkin là thực tế và nhiều người đã được thực hiện. Có toàn bộ các bảng đồ họa sử dụng nghiêm ngặt các cổng logic đảo ngược được triển khai bằng cổng Fredkin và Toffoli làm LU của chúng.

Có một số vấn đề ảnh hưởng đến việc sử dụng rộng rãi của họ trong kiến ​​trúc máy tính. Có một số lợi thế "được quảng cáo" đối với cổng fredkin mà không nhất thiết phải hoạt động như mong đợi trong các mạch thực. Tiết kiệm năng lượng của các cổng logic đảo ngược chủ yếu là do thực tế là chúng không yêu cầu entropy được tạo ra khi một hoạt động được thực hiện. Như Tom van der Zanden đã nêu, đây là lý do chính tại sao logic đảo ngược có thể hiệu quả hơn nhiều. Tại sao đây không phải là trường hợp trong các mạch thực:

1. Hiện tại công nghệ bóng bán dẫn là những gì hạn chế tốc độ máy tính và tiêu thụ điện năng, và thật không may, cần nhiều bóng bán dẫn hơn để tạo ra một cổng fredkin trái ngược với cổng nand truyền thống hoặc cũng không phải cổng. Điều này có nghĩa là cổng fredkin lãng phí nhiều năng lượng hơn thông qua rò rỉ bóng bán dẫn và cần nhiều không gian hơn trên silicon (có nghĩa là đắt hơn). Chỉ riêng điều này là đủ để biện minh cho việc sử dụng nand / nor trên cổng fredkin
2. Vì hình thức tổn thất điện năng chính nếu từ bóng bán dẫn và không tạo ra entropy do tính toán thực tế, bạn vẫn cần phải chạy điện và đường dây tiếp đất đến cổng fredkin để bù cho tổn thất điện năng này. Các bus lớn này là các bus fan-in, cũng chiếm rất nhiều không gian trên silicon. Vì có nhiều bóng bán dẫn trong một cổng fredkin, điều này dẫn đến nhiều quạt hơn, và do đó lãng phí nhiều không gian hơn trên silicon.
3. Mặc dù chúng ta có cổng fredkin có thể đảo ngược, chúng được xây dựng từ các thiết bị không thể đảo ngược (bóng bán dẫn). Điều này có nghĩa là một số lợi ích năng lượng không được thực hiện với công nghệ cổng hiện tại (bên ngoài các mạch lượng tử).
4. Kích thước và tốc độ có liên quan đến silicon, mọi thứ càng gần nhau, nói chung bạn càng có thể tạo ra chúng nhanh hơn. Vì cổng fredkin sử dụng nhiều bóng bán dẫn hơn và có nhiều kết nối hơn cho nguồn điện, v.v., nên chúng có xu hướng chậm hơn đáng kể.
5. Những lợi thế tiêu thụ năng lượng và lợi thế tốc độ chỉ được nhận ra khi bit được sử dụng lại thành công. Hầu hết các thuật toán chúng tôi có là không bảo thủ khủng khiếp. Bạn có thể thấy điều này bằng cách nghiên cứu triển khai một bộ cộng đầy đủ hoặc thanh ghi thay đổi bằng cách sử dụng cổng fredkin. Vì logic đảo ngược không cho phép quạt vào và quạt ra logic, điều này dẫn đến rất nhiều phép tính bit mà cuối cùng không được sử dụng để đạt được một hoạt động hữu ích. Một cái gì đó như thêm hai số 8 bit sẽ tạo ra 9 bit hoặc thông tin hữu ích (kết quả 8 bit, 1 bit mang), nhưng sẽ yêu cầu một bus đầu vào gồm nhiều hằng số 1 và 0 và tạo ra nhiều bit đầu ra dữ liệu rác. Vì bạn có một chiếc xe buýt rộng hơn, điều này dẫn đến một mạch lan rộng hơn nữa trên silicon.
6. Ngoài ra, các bit rác phải được bộ xử lý đổ, và do đó sẽ dẫn đến mất năng lượng vì chúng không bao giờ được sử dụng

Tóm tắt: Cổng Fredkin tạo ra rất nhiều tính toán lãng phí khi thực hiện các thuật toán thực sự. lãng phí tính toán = lãng phí năng lượng. Bởi vì điều này, kích thước xe buýt tăng lên làm lây lan mọi thứ và làm chậm mọi thứ. Ngoài ra, việc thực hiện vật lý của cổng fredkin là mối quan tâm lớn hơn đối với công nghệ hiện tại. Việc triển khai hiện tại lan truyền mọi thứ ra nhiều hơn bằng cách yêu cầu nhiều năng lượng và đường dây đất hơn để bù đắp cho tổn thất trong mạch điện (đó là mối lo ngại lớn hơn về mất năng lượng) và sử dụng nhiều bất động sản hơn trên silicon (mối quan tâm lớn hơn nhiều về tốc độ )

Tôi nhận ra đây là một chủ đề cũ, nhưng nhiều câu trả lời tập trung vào thực tế là các bóng bán dẫn không hiệu quả. Mục tiêu của tôi là cho thấy các thuật toán của chúng tôi cũng không hiệu quả và không xử lý tốt tính toán đảo ngược. Tôi là một kỹ sư máy tính thích nghiên cứu tính toán đảo ngược và lượng tử