211service.com
De fantastische belofte van omkeerbaar computergebruik
De computerwereld is in transitie. Naarmate chips kleiner en sneller worden, voeren ze meer warmte af, wat energie is die volledig verspild wordt.
Volgens sommige schattingen is het verschil tussen de hoeveelheid energie die nodig is om een berekening uit te voeren en de hoeveelheid die de huidige computers daadwerkelijk gebruiken, zo'n acht ordes van grootte. Er is duidelijk ruimte voor verbetering.
Er wordt dus gezocht naar efficiëntere vormen van rekenen, en aan opties geen gebrek.
Een van de buitenste lopers in de race om de wereld van de logica stormenderhand te veroveren, is omkeerbaar computergebruik. Daarmee bedoelen computerwetenschappers berekeningen die plaatsvinden in stappen die in de tijd omkeerbaar zijn.
Dus als een logische poort een ingang X verandert in een uitgang Y, dan is er een inverse operatie die deze stap omkeert. Cruciaal is dat dit één-op-één-toewijzingen moeten zijn, wat betekent dat een bepaalde invoer een enkele unieke uitvoer produceert.
Deze vereisten voor omkeerbaarheid leggen strikte beperkingen op aan de soorten fysieke systemen die dit soort werk kunnen doen, om nog maar te zwijgen van hun ontwerp en fabricage. Gewone computerchips komen niet in aanmerking - hun logische poorten zijn niet omkeerbaar en ze lijden ook aan een ander probleem.
Wanneer conventionele logische poorten meerdere uitgangen produceren, worden sommige hiervan niet gebruikt en gaat de energie die nodig is om ze te genereren gewoon verloren. Deze staan bekend als afvalstaten. Het minimaliseren van de afvaloutput is een van de belangrijkste doelen in omkeerbaar logisch ontwerp en synthese, zeggen Himanshu Thapliyal en Nagarajan Ranganathan van de Universiteit van Zuid-Florida.
Tegenwoordig stellen ze een nieuwe manier voor om fouten in berekeningen te detecteren en zeggen dat hun methode ideaal is voor omkeerbaar computergebruik en bovendien natuurlijk het aantal afvaltoestanden dat een berekening produceert, vermindert.
Laten we, voordat we naar hun aanpak kijken, snel een conventionele methode voor foutdetectie doornemen. Dit houdt simpelweg in dat u de berekening twee keer uitvoert en de resultaten vergelijkt. Als ze hetzelfde zijn, wordt de berekening als foutvrij beschouwd.
Deze methode heeft een duidelijke beperking als de oorspronkelijke berekening en de duplicatie beide dezelfde fout maken.
Thapliyal en Ranganathan hebben een andere benadering om dit probleem te omzeilen. Als een omkeerbare berekening een reeks uitgangen oplevert, dan zou de inverse berekening op deze uitgangen de oorspronkelijke toestanden moeten reproduceren.
Dus hun idee is om de inverse berekening uit te voeren op de uitvoertoestanden en als dit de oorspronkelijke toestanden reproduceert, dan is de berekening foutloos. En omdat dit gebaseerd is op omkeerbare logische stappen, minimaliseert het natuurlijk de hoeveelheid afvaltoestanden die daartussen worden geproduceerd.
Er zijn natuurlijk een of twee kanttekeningen. De eerste is dat niemand erin is geslaagd een goed omkeerbare logische poort te bouwen, dus dit werk is volledig theoretisch.
Maar er zijn een aantal computerschema's die het potentieel hebben om op deze manier te werken. Thapliyal en Ranganathan wijzen in het bijzonder op de opkomende technologie van kwantumcellulaire automaten en laten zien hoe hun aanpak kan worden toegepast.
Het mooie van deze aanpak is dat deze het potentieel heeft om dissipatievrij te zijn. Het zou dus niet alleen veel minder energie verbruiken dan conventionele computers, het zou ook helemaal geen energie hoeven te verliezen. In theorie althans.
Op het eerste gezicht lijkt dat in tegenspraak met een van de fundamenten van de informatica: het principe van Rolf Landauer dat het wissen van een beetje informatie altijd een kleine hoeveelheid energie als warmte afvoert. Dit is de fundamentele reden dat conventionele chips zo heet worden.
Maar dit principe hoeft niet van toepassing te zijn op omkeerbaar computergebruik, want als er geen bits worden gewist, wordt er geen energie gedissipeerd. In feite is er geen bekende limiet aan de efficiëntie van omkeerbaar computergebruik. Als er een perfect omkeerbaar fysiek proces kan worden gevonden om de bits te dragen en te verwerken, dan kan de computer dissipatievrij worden.
Voorlopig is dat een wilde droom. Maar in de komende jaren, als kwantumprocessen een grotere rol gaan spelen bij allerlei soorten berekeningen, zullen we misschien veel meer horen over omkeerbaar computergebruik en het potentieel ervan om de energieverspilling bij computergebruik te verminderen.
Referentie: arxiv.org/abs/1101.4222 : Omkeerbare, op logica gebaseerde gelijktijdige foutdetectiemethodologie voor opkomende nanocircuits