ทำไมประตูย้อนกลับไม่ได้ใช้?

ผมอ่านหนังสือ "เอกพจน์อยู่ใกล้" เขียนโดยเคิซและเขากล่าวถึงประตูพลิกกลับเหมือนเช่นประตู Fredkin ข้อได้เปรียบที่ใช้ประตูดังกล่าวคือเราสามารถกำจัดของเสียจากความร้อนที่เกี่ยวข้องกับการคำนวณที่บิตหายไปในความร้อนและการคำนวณนั้นไม่ต้องการพลังงานใด ๆ สมมติฐานเหล่านั้นทำให้ประตูเหล่านี้ดูเหมือนเป็นคำตอบที่มหัศจรรย์ ดังนั้นคำถามคือสิ่งที่อุปสรรคทางเทคนิคยังคงป้องกันการใช้งานขนาดใหญ่ของพวกเขา

ฉันยังคิดว่ามันเป็นความอัปยศที่ฉันไม่เคยได้ยินเกี่ยวกับประตูเหล่านั้นในระดับปริญญาตรีวิศวกรรมไฟฟ้าและการศึกษาปริญญาโทของฉันที่มหาวิทยาลัยชั้นนำของเยอรมัน ...

ฉันไม่ได้เป็นผู้เชี่ยวชาญในหัวข้อนี้ แต่เพิ่งอ่านวิกิพีเดียโดยไม่ตั้งใจ:

มันขึ้นอยู่กับการเคลื่อนไหวของลูกบิลเลียดทรงกลมในสภาพแวดล้อมที่ปราศจากแรงเสียดทานที่ทำจากบัฟเฟอร์กับที่ลูกเด้งได้อย่างสมบูรณ์แบบ

... นี่ฟังดูสมจริงมาก

ยังไม่มีใครรู้วิธีที่จะสร้างประตูดังกล่าวได้จริง ๆ พวกเขาเป็นเพียงผลประโยชน์ทางทฤษฎี นั่นอาจอธิบายได้ว่าทำไมคุณถึงไม่เคยได้ยินเรื่องพวกนี้เลยเพราะวิศวกรรมมักจะเกี่ยวข้องกับการฝึกฝน

สมมติฐานของการคำนวณแบบย้อนกลับได้คือเมื่อความร้อนหายไปเล็กน้อยจะเกิดความร้อนขึ้น ด้วยการใช้ประตูที่พลิกกลับได้จะไม่มีบิตปรากฏขึ้นหรือหายไปดังนั้นการคำนวณที่คาดคะเนจะมีประสิทธิภาพมากขึ้นเมื่อใช้ประตูย้อนกลับได้

ข้อ จำกัด ทางทฤษฎี Reversible Computing อ้างว่าการหลีกเลี่ยงคือการลบข้อมูล 1 บิตสร้างพลังงานอย่างน้อยในความร้อน สำหรับคอมพิวเตอร์ที่ทำงานที่ toasty $kT\ln 2$กับ 10 9ทรานซิสเตอร์แต่ละชิ้นทำให้บิตหายไปในอัตรา$60\,{}^\circ\mathrm{C}$$10^9$ที่สอดคล้องกับ$5\,\mathrm{GHz}$ของการสร้างความร้อน ซึ่งคิดเป็นสัดส่วนเพียงเล็กน้อย ( 1 / 10,000 ) ของการใช้พลังงานของคอมพิวเตอร์$16\,\mathrm{mW}$$1/10000$

คอมพิวเตอร์ในปัจจุบันของเราไม่ได้ถูก จำกัด โดยการสร้างความร้อนที่เกี่ยวข้องกับบิตที่หายไป พวกมันถูก จำกัด ด้วยความไร้ประสิทธิภาพโดยธรรมชาติในการเคลื่อนย้ายอิเล็กตรอนไปตามรอยทองแดงเล็ก ๆ

ปัญหาเกี่ยวกับประตูย้อนกลับที่ใช้งานได้จริง (ประตูที่สามารถ (และมี) ที่ประดิษฐ์ในซิลิกอน) คือการประหยัดพลังงานจริงเป็นสัดส่วนเชิงเส้นตรงกับว่าคุณวิ่งช้าแค่ไหน

ฉันรู้ว่ากลุ่มวิจัยของ Tom Knight ที่ MIT ประดิษฐ์ตัวประมวลผลแบบอะเดียแบติกขนาดเล็กในปลายปี 1990 ตระกูลตรรกะเชิงปฏิบัติที่พวกเขาพัฒนาเรียกว่าตรรกะการกู้คืนระดับแยกประจุและสามารถนำไปใช้โดยใช้เทคนิคการสร้างมาตรฐาน (CMOS) ฉันเชื่อว่างานต่อเนื่องโดย Michael P Frank ที่ Florida State University ตัวอย่างของการทำงานในกลุ่มของ Tom Knight คือวิทยานิพนธ์ปริญญาโทต่อไปนี้ (ซึ่งมีส่วนที่ค่อนข้างดีในการทำงานที่เกี่ยวข้องในช่วงต้นปี 1990) Vieri, CJ: Pendulum: สถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์แบบพลิกกลับได้วิทยานิพนธ์ระดับปริญญาโท MIT EECS, 1995

วงจรย้อนกลับจะต้องเป็นอะเดียแบติก (ไม่สามารถแลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างวงจรและสภาพแวดล้อมของมัน) ซึ่งหมายความว่าพวกเขาจะต้องอยู่ในสมดุลตลอดเวลา สำหรับกระบวนการใด ๆ ที่จำเป็นต้องเปลี่ยนสิ่งที่คุณสามารถประมาณสมดุลเท่านั้นโดยการเปลี่ยนแปลงเกิดขึ้นช้าที่สุดเท่าที่จะทำได้

ถ้าฉันจำอุณหพลศาสตร์ของฉันได้อย่างถูกต้องคุณสามารถสร้างพลังงานของการคำนวณแบบย้อนกลับได้โดยพลการ แต่การกระทำขั้นต่ำ(เวลาพลังงานครั้ง) จะต้องมีค่าคงที่เล็กน้อย

อุปสรรค์ที่ใหญ่ที่สุดที่ป้องกันการใช้งานขนาดใหญ่ของพวกเขาเหมือนกับวงจรอะซิงโครนัสและการออกแบบวงจรอื่น ๆ ที่ไม่ได้มาตรฐาน: กฎของมัวร์

กฎของมัวร์ได้กลายเป็นคำพยากรณ์ที่ทำให้ตนเองสำเร็จ ตามที่กำหนดไว้ในตารางเผยแพร่ Tick Tockผู้ผลิตชิปเห็นว่าการปฏิบัติตามกฎของมัวร์เป็นเรื่องที่ท้าทาย เนื่องจากความจำเป็นในการปฏิบัติตามกฎของมัวร์เราจึงมีความเชี่ยวชาญมากขึ้นในการลดขนาดของชิปโดยการพิมพ์หิน (และบ่อยครั้งโดยใช้กลโกงเช่นการทวีคูณ)

ทั้งหมดนี้เกี่ยวข้องกับประตูย้อนกลับได้อย่างไร ในขณะที่โรงหล่อแข่งขันกันเพื่อปล่อยทรานซิสเตอร์ที่ใหม่กว่าและเล็กกว่า บริษัท ที่ต้องการพิมพ์ชิปใหม่จะเห็นเส้นทางที่ง่ายต่อการเพิ่มความเร็วโดยเพียงแค่เพิ่มแคชมากขึ้น

นักฆ่าที่เก่งกว่านั้นไม่ได้เป็นแค่เทคโนโลยี มันเป็นความสำเร็จของการที่ดีพอ

อุปกรณ์คอมพิวเตอร์ที่มีประโยชน์ต้องการความเห็นย้อนกลับซึ่งทำให้มีองค์ประกอบหนึ่งวงจรทำการคำนวณตามลำดับอย่างไม่ จำกัด วงจรป้อนกลับที่ใช้งานได้จะต้องมีส่วนที่มีจำนวนอินพุตรวม (นับทั้งส่วนที่ป้อนกลับจากเอาต์พุตและส่วนที่ไม่ได้) เกินจำนวนเอาต์พุตที่ป้อนกลับไปยังอินพุต (วิธีเดียวที่จำนวนอินพุตจะไม่เท่ากัน) หากจำนวนวงจรที่ไม่ตอบสนองต่อสิ่งเร้าจากภายนอก) เนื่องจากฟังก์ชันลอจิกกลับด้านได้อย่างสมบูรณ์ไม่สามารถมีอินพุตมากกว่าเอาท์พุทได้จึงไม่สามารถสร้างโครงสร้างข้อเสนอแนะใด ๆ จากพวกเขาที่จำเป็นสำหรับการทำงานการประมวลผลที่ไม่น่าสนใจซ้ำ ๆ. โปรดทราบว่าด้วยเทคโนโลยี CMOS ที่ใช้ในคอมพิวเตอร์ทุกวันนี้จำเป็นต้องให้ข้อเสนอแนะเพื่อให้แน่ใจว่าผลลัพธ์ที่รายงานโดยการคำนวณในส่วนต่าง ๆ ของวงจรนั้นพร้อมใช้งานในส่วนอื่น ๆ พร้อมกันเพราะถ้าไม่ใช่เวลาสัมพัทธ์ที่สัญญาณมาถึง เป็น "ข้อมูล" ซึ่งไม่สามารถส่งผ่านข้อมูลแบบสมบูรณ์ได้ เทคโนโลยีอื่นอาจทำให้เป็นไปได้ที่จะมีสัญญาณจำนวนมากแพร่สัญญาณในอัตราเดียวกันอย่างแม่นยำในขณะที่ยังคงรักษาความสามารถในการพลิกกลับได้ แต่ฉันรู้ว่าไม่มีเทคโนโลยีเชิงปฏิบัติสำหรับสิ่งนั้น

โปรดทราบว่าจากมุมมอง CS มันเป็นเรื่องเล็กน้อยที่จะทำให้กระบวนการคำนวณสามารถย้อนกลับได้ถ้ามีสื่อจัดเก็บข้อมูลว่างเปล่าในขั้นต้นซึ่งขนาดเป็นสัดส่วนตามจำนวนขั้นตอนคูณจำนวนสถานะที่สามารถเปลี่ยนแปลงได้ในแต่ละขั้นตอน การอ้างสิทธิ์นี้ไม่ขัดแย้งกับการอ้างสิทธิ์ของย่อหน้าก่อนหน้าเนื่องจากการจัดเก็บตามสัดส่วนของจำนวนขั้นตอนจะต้องใช้วงจรตามสัดส่วนของจำนวนขั้นตอนซึ่งจะบ่งบอกวงจรวงจรตามสัดส่วนที่จะต้องใช้ถ้าความคิดเห็นทั้งหมดถูกกำจัด

หากใครได้รับอนุญาตให้มีเอาต์พุตที่ถูกละเว้นถ้ากำหนดเงื่อนไขอินพุตที่เหมาะสมพวกมันจะไม่มีวันไปสูงดังนั้นจึงอาจเป็นไปได้ที่จะออกแบบระบบที่ในทางทฤษฎีจะได้รับประโยชน์จากตรรกะที่สามารถย้อนกลับได้ ตัวอย่างเช่นหากมีอัลกอริทึมที่ทำงานบนกลุ่ม 256 คำของ RAM และต้องการใช้ "CPU แบบย้อนกลับได้ตรรกะ" ที่ดำเนินการ 1,000,000 การดำเนินงานต่อวินาทีและแต่ละการดำเนินการปรับปรุงการลงทะเบียนตัวนับโปรแกรมหรือหนึ่ง คำของ RAM เราสามารถใช้ "CPU ที่สามารถย้อนกลับได้" ซึ่งจะ:

• ใช้คำสั่งจำนวนมากและส่งสิ่งที่เขียนทับไปยังบัฟเฟอร์ LIFO
• หลังจากคำสั่งหลายคำสั่งทำงานแล้วให้คัดลอกแรมลงในบัฟเฟอร์ "การส่งต่อ" เริ่มแรกที่ว่างเปล่า
• ใช้ค่าใน LIFO รันการคำนวณทั้งหมดในสิ่งที่ตรงกันข้าม
• เขียนทับเนื้อหาของ RAM หลักด้วยบัฟเฟอร์การส่งต่อซึ่งจะถูกลบในกระบวนการ

สูตรข้างต้นสามารถทำซ้ำได้หลาย ๆ ครั้งเพื่อเรียกใช้อัลกอริทึมสำหรับจำนวนขั้นตอนโดยพลการ เฉพาะขั้นตอนสุดท้ายของสูตรจะไม่สามารถย้อนกลับได้ ปริมาณพลังงานที่ใช้ต่อขั้นตอนอัลกอริทึมในการดำเนินการที่ไม่สามารถย้อนกลับได้จะแปรผกผันกับขนาดของ LIFO และอาจทำให้มีขนาดเล็กตามอำเภอใจหากมีการสร้าง LIFO ขนาดใหญ่

เพื่อให้ความสามารถในการแปลเป็นการประหยัดพลังงานทุกประเภทอย่างไรก็ตามมันจำเป็นที่จะต้องมี LIFO ซึ่งจะเก็บพลังงานเมื่อมีการใส่ข้อมูลและคืนพลังงานนั้นเมื่ออ่าน นอกจากนี้ LIFO จะต้องมีขนาดใหญ่พอที่จะเก็บข้อมูลสถานะสำหรับขั้นตอนเพียงพอว่าค่าใช้จ่ายพลังงานใด ๆ ของการใช้มันน้อยกว่าปริมาณพลังงานที่ประหยัดได้อย่างเป็นประโยชน์ เนื่องจากปริมาณพลังงานที่สูญเสียไปในการจัดเก็บและการเรียกคืน N ไบต์จาก FIFO เชิงปฏิบัติใด ๆ ไม่น่าจะเป็น O (1) จึงไม่มีความชัดเจนว่าการเพิ่ม N จะช่วยลดการใช้พลังงานได้อย่างมีนัยสำคัญ

การคำนวณแบบย้อนกลับได้ที่ใช้ในทางปฏิบัตินั้นเป็นส่วนสำคัญของการวิจัย การคำนวณควอนตัมส่วนใหญ่สามารถมองเห็นได้ว่าพยายามสร้างประตูควิบิตที่กลับด้านได้และเป็นการยากมากที่จะทำการทดลองเพื่อให้ตรงกับคุณสมบัติทางทฤษฎีของพิธีการ QM แต่กำลังดำเนินการอย่างต่อเนื่อง

ประเด็นพื้นฐานอีกข้อหนึ่งคือเมื่อใดก็ตามที่การกระจายพลังงานลดลงในชิประบบจะย้ายระบบเกทเป็น "ย้อนกลับได้มากขึ้น" และการกระจายชิปพลังงานต่ำนั้นมีความสำคัญสูงเป็นเวลานานในขณะนี้ในการคำนวณมือถือ การปรับเปลี่ยนกระบวนทัศน์ทั้งอุตสาหกรรม) เป็นเวลาหลายสิบปีที่ประสิทธิภาพของชิพ (คล้ายกับกฎของมัวร์) เกิดขึ้นโดยการ "ผ่อนคลาย" หรือแม้แต่ "เลอะเทอะ" ด้วยการกระจายพลังงาน แต่กลับมาถึงจุดที่ลดลงเมื่อไม่กี่ปีที่ผ่านมา ผู้ผลิตชิปชั้นนำระดับโลก Intel พยายามที่จะเปลี่ยนเป็นชิปพลังงานต่ำเพื่อแข่งขันกับ Arm ซึ่งมีข้อได้เปรียบหลังจากที่ไม่ได้สร้างอะไรเลย

อาจมีการพัฒนางานวิจัยเมื่อเร็ว ๆ นี้โดยใช้เทคโนโลยีตัวนำยิ่งยวด (มิถุนายน 2014) และมีโครงการวิจัยอื่น ๆ

ดูเช่นประตูตรรกะแบบพลิกกลับได้โดยใช้อุปกรณ์ตัวนำยิ่งยวดแบบอะเดียแบติก / Takeuchi, Yamanashi, Yoshikawa, ธรรมชาติ:

การคำนวณแบบย้อนกลับได้รับการศึกษามาตั้งแต่ Rolf Landauer ทำการโต้แย้งขั้นสูงซึ่งเป็นที่รู้จักกันในชื่อหลักการของ Landauer หลักการนี้ระบุว่าไม่มีการกระจายพลังงานขั้นต่ำสำหรับการดำเนินการเชิงตรรกะในการคำนวณแบบย้อนกลับเพราะมันไม่ได้มาพร้อมกับการลดลงของเอนโทรปีของข้อมูล อย่างไรก็ตามจนถึงขณะนี้ยังไม่มีการพิสูจน์ประตูตรรกะที่สามารถย้อนกลับได้ หนึ่งในปัญหาคือประตูลอจิกกลับด้านต้องสร้างขึ้นโดยใช้อุปกรณ์ลอจิกที่ประหยัดพลังงานมาก ความยากอีกประการหนึ่งคือประตูตรรกะที่กลับด้านได้จะต้องมีทั้งทางตรรกะและทางกลับกันได้ ที่นี่เราเสนอประตูตรรกะแบบกลับด้านได้ครั้งแรกโดยใช้อุปกรณ์ตัวนำยิ่งยวดแบบอะเดียแบติกและแสดงให้เห็นถึงการย้อนกลับแบบตรรกะและแบบกายภาพของประตู นอกจากนี้เราประเมินการกระจายพลังงานของประตู และหารือเกี่ยวกับการกระจายพลังงานขั้นต่ำที่จำเป็นสำหรับการปฏิบัติการเชิงตรรกะแบบพลิกกลับได้ คาดว่าผลลัพธ์ของการศึกษานี้จะช่วยให้สามารถคำนวณย้อนกลับได้เพื่อย้ายจากขั้นตอนทางทฤษฎีไปสู่การใช้งานจริง

ประตู Fredkin นั้นสมจริงและมีการใช้งานมากมาย มีบอร์ด FPGA ทั้งหมดโดยใช้เกทลอจิกแบบพลิกกลับได้ซึ่งดำเนินการโดยใช้ประตู Fredkin และ Toffoli เป็น LU

มีปัญหาหลายประการที่ส่งผลต่อการใช้งานอย่างแพร่หลายในสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ มีข้อดี "โฆษณา" หลายประการสำหรับประตูเฟรดคินที่ไม่จำเป็นต้องทำงานตามที่คาดไว้ในวงจรจริง การประหยัดพลังงานของประตูลอจิกแบบย้อนกลับได้นั้นส่วนใหญ่เกิดจากความจริงที่ว่าพวกเขาไม่ต้องการเอนโทรปีถูกสร้างขึ้นเมื่อมีการดำเนินการ ตามที่ระบุไว้โดย Tom van der Zanden นี่คือเหตุผลหลักว่าทำไมตรรกะที่กลับด้านได้จึงมีประสิทธิภาพมากกว่า เหตุใดจึงไม่เป็นเช่นนี้ในวงจรจริง:

1. ปัจจุบันเทคโนโลยีทรานซิสเตอร์เป็นสิ่งที่ จำกัด ความเร็วของคอมพิวเตอร์และการใช้พลังงานและน่าเสียดายที่ต้องมีทรานซิสเตอร์เพิ่มขึ้นเพื่อสร้างประตูเฟรดคินเมื่อเทียบกับ nand หรือประตูแบบดั้งเดิม ซึ่งหมายความว่าประตู fredkin ใช้พลังงานมากขึ้นจากการรั่วไหลของทรานซิสเตอร์และต้องการพื้นที่บนซิลิคอนมากขึ้น (ซึ่งหมายถึงมีราคาแพงกว่า) เพียงอย่างเดียวนี้ก็เพียงพอที่จะแสดงให้เห็นถึงการใช้ nand / หรือมากกว่าประตูเฟรดกิน
2. เนื่องจากรูปแบบหลักของการสูญเสียพลังงานหากมาจากทรานซิสเตอร์และไม่ใช่การสร้างเอนโทรปีเนื่องจากการคำนวณจริงคุณยังคงต้องใช้พลังงานและสายกราวด์เพื่อประตูเฟรคินเพื่อชดเชยการสูญเสียพลังงานนี้ รถบัสขนาดใหญ่เหล่านี้เป็นรถบัสพัดลมซึ่งใช้พื้นที่มากในซิลิคอน เนื่องจากมีทรานซิสเตอร์อยู่มากที่ประตูเฟรดคินสิ่งนี้นำไปสู่การเพิ่มจำนวนพัดลมเข้าและทำให้เสียพื้นที่บนซิลิคอนมากขึ้น
3. แม้ว่าเราจะมีประตูเฟรดคินแบบพลิกกลับได้ แต่สิ่งเหล่านี้สร้างขึ้นจากอุปกรณ์ที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ (ทรานซิสเตอร์) ซึ่งหมายความว่าการรับพลังงานบางอย่างไม่ได้เกิดขึ้นจริงด้วยเทคโนโลยีเกตปัจจุบัน
4. ขนาดและความเร็วนั้นสัมพันธ์กับซิลิกอนก็ยิ่งใกล้กันมากขึ้นเท่านั้น เนื่องจากประตู fredkin ใช้ทรานซิสเตอร์มากขึ้นและมีการเชื่อมต่อพลังงานมากขึ้น ฯลฯ จึงมีแนวโน้มที่จะช้าลงอย่างมาก
5. ข้อได้เปรียบของการใช้พลังงานและความได้เปรียบด้านความเร็วนั้นจะรับรู้ได้เมื่อบิตถูกนำกลับมาใช้ใหม่ได้สำเร็จ อัลกอริธึมส่วนใหญ่ที่เรามีนั้นไม่ใช่แบบอนุรักษ์นิยมอย่างน่ากลัว คุณสามารถเห็นสิ่งนี้ได้โดยทำการวิจัยการติดตั้งแอดเดอร์ทั้งหมดหรือลงทะเบียนกะโดยใช้ประตูเฟรดคิน เนื่องจากตรรกะที่สามารถย้อนกลับได้ไม่อนุญาตให้ใช้การเข้าและออกแบบลอจิคัลสิ่งนี้นำไปสู่การคำนวณบิตจำนวนมากที่ไม่ได้ถูกใช้เพื่อให้เกิดการดำเนินการที่เป็นประโยชน์ บางอย่างเช่นการเพิ่มตัวเลข 8 บิตสองตัวจะสร้างข้อมูล 9 บิตหรือเป็นประโยชน์ (ผลลัพธ์ 8 บิต, 1 บิตดำเนินการ) แต่จะต้องใช้บัสอินพุตของค่าคงที่ 1 และ 0 จำนวนมากและสร้างบิตเอาต์พุตข้อมูลขยะจำนวนมาก เมื่อคุณมีบัสที่กว้างขึ้นสิ่งนี้นำไปสู่วงจรที่แผ่ขยายออกไปมากขึ้นบนซิลิคอน
6. นอกจากนี้ขยะจะต้องถูกทิ้งโดยหน่วยประมวลผลและจะนำไปสู่การสูญเสียพลังงานต่อไปเพราะพวกเขาไม่เคยใช้

สรุป: ประตู Fredkin ผลิตการคำนวณขยะจำนวนมากเมื่อใช้อัลกอริทึมจริง การคำนวณขยะ = พลังงานที่สูญเปล่า ด้วยเหตุนี้ขนาดของบัสจึงเพิ่มขึ้นซึ่งจะกระจายสิ่งต่าง ๆ และทำให้ช้าลง นอกจากนี้การใช้ประตูเฟรดคินทางกายภาพก็เป็นสิ่งที่น่ากังวลมากขึ้นสำหรับเทคโนโลยีในปัจจุบัน การใช้งานในปัจจุบันกระจายสิ่งต่าง ๆ ออกไปมากขึ้นโดยต้องการพลังงานและสายดินเพิ่มเติมเพื่อชดเชยการสูญเสียในวงจร (ซึ่งเป็นข้อกังวลที่ยิ่งใหญ่กว่าสำหรับการสูญเสียพลังงาน) และใช้อสังหาริมทรัพย์ในซิลิคอนมากขึ้น )

ฉันรู้ว่านี่เป็นด้ายเก่า แต่คำตอบหลายข้อเน้นไปที่ข้อเท็จจริงที่ว่าทรานซิสเตอร์ไม่มีประสิทธิภาพ เป้าหมายของฉันคือการแสดงอัลกอริทึมของเรายังขาดประสิทธิภาพและไม่สามารถจัดการกับการคำนวณแบบย้อนกลับได้ดี ฉันเป็นวิศวกรคอมพิวเตอร์ที่สนุกกับการค้นคว้าการคำนวณย้อนกลับและควอนตัม