Чому не застосовуються оборотні ворота?

Я читав книгу "Сингулярність поруч", яку написав Курцвейл, і він згадав про оборотні ворота, як, наприклад, ворота Фредкіна . Перевага використання таких воріт полягає в тому, що ми могли б позбутися теплових відходів, пов’язаних з обчисленнями, коли шматочки просто зникають у теплі, і для обчислень не буде потрібно ніякого введення енергії. Ці припущення роблять ці ворота схожими на диво-рішення. Отже, питання полягає в тому, які технічні перешкоди досі перешкоджають їх масштабному використанню.

Я також думаю, що прикро, що я ніколи не чув про ці ворота в моєму бакалаврі та магістерській електротехніці у вищому німецькому університеті ...

Я аж ніяк не експерт з цієї теми, а лише з випадкового читання Вікіпедії:

вона покладається на рух сферичних більярдних кульок у середовищі, що не містить тертя, виготовленої з буферів, проти яких кулі ідеально підстрибують

... це звучить дуже реалістично.

Ніхто ще не зрозумів, як насправді зробити такі ворота, вони мають просто теоретичний інтерес. Це може пояснити, чому ви ніколи не чули про них, оскільки інженерія зазвичай займається практикою.

Передумовою оборотного обчислення є те, що коли трохи зникає, утворюється деяка кількість тепла. Використовуючи оборотні ворота, жоден біт ніколи не з’являється і не зникає, тому нібито обчислення можуть бути набагато ефективнішими з оборотними воротами.

Теоретична межа, на яку звертаються претензії з оборотних обчислень, полягає в тому, що стирання 1 біта інформації генерує принаймні енергію в теплі. Для комп’ютера, що працює на тості з транзисторами, кожен з яких робить біти зникають зі швидкістю , що відповідає вироблення тепла. Це складає лише невелику частку ( ) використання енергії комп'ютера.$kT\ln 2$10 9$60\,{}^\circ\mathrm{C}$$10^9$$5\,\mathrm{GHz}$ 1 /$16\,\mathrm{mW}$$1/10000$

Наші комп’ютери сучасного дня не обмежені виробленням тепла, пов'язаним зі зникненням бітів. Вони обмежені властивою неефективністю переміщення електронів навколо крихітних мідних слідів.

Проблема практичних оборотних воріт (воріт, які можуть (і були) виготовлені з кремнію) полягає в тому, що фактична економія енергії лінійно пропорційна тому, наскільки повільно ви керуєте ними.

Я знаю, що дослідницька група Тома Найта в MIT виготовила невеликий адіабатичний процесор наприкінці 1990-х. Сім'я практичної логіки, яку вони розробили, називається логікою відновлення зарядів розділеного рівня і може бути реалізована за допомогою стандартних (CMOS) методів виготовлення. Я вважаю, що цю роботу продовжив Майкл П Франк у Державному університеті Флориди. Приклад роботи в групі Тома Найта є тезою наступного господаря (який має досить пристойний розділ по відповідній роботі через початок 1990 - х рр.) Вієрі, CJ: Pendulum: Реверсивна комп'ютерна архітектура , магістерська дисертацію, MIT EECS ВІДДІЛ, 1995.

Оборотні ланцюги повинні бути адіабатичними (не може бути теплообміну між ланцюгом та його оточенням), це означає, що вони повинні бути в рівновазі в усі часи. Для будь-якого процесу, якому потрібно щось змінити, ви можете лише наблизити рівновагу, зробивши зміни як можна повільніше.

Якщо я добре пам'ятаю свою термодинаміку, ви можете зробити енергію оборотного обчислення довільно малою, але мінімальна дія (час в енергії) повинна бути малою постійною.

Найбільша перешкода, що перешкоджає їх масштабному використанню, така сама, як і для асинхронних схем, і майже будь-яка інша нестандартна схема схеми: закон Мура.

Закон Мура став чимось самореалізаційним пророцтвом; як видно з розкладу випуску токів , виробники чіпів вважають виконання закону Мура проблемою. Через необхідність виконувати закон Мура, ми все більше і більш вправно зменшуємо розмір чіпів, вдосконалюючи літографію (а часто і за допомогою чітів, як мультипаттернінг).

Що все це стосується оборотних воріт? Коли ливарники готуються випускати нові та менші розміри транзисторів, компанії, які хочуть друкувати нові чіпи, бачать простий шлях до збільшення швидкості, просто додаючи більше кешу та переробляючи свої звичайні конструкції, щоб краще використовувати цей кеш.

Вбивця кращого не є технологічним нападом; це успіх досить хороший .

Корисні обчислювальні пристрої вимагають зворотного зв'язку, що дає можливість одному елементу схеми виконувати по суті необмежену кількість послідовних обчислень. Використовувані схеми зворотного зв’язку повинні містити розділи, загальна кількість входів (що враховують як ті, що повертаються з виходів, так і ті, які не є) перевищує кількість виходів, які повертаються на вхід (єдиний спосіб, коли кількість входів не буде ' t перевищувати кількість зворотних виходів, якби ланцюги не реагували жодним чином на зовнішні подразники). Оскільки функції ідеально зворотної логіки не можуть мати більше входів, ніж виходів, неможливо побудувати з них будь-яку структуру зворотного зв'язку, необхідну для виконання будь-яких нетривіальних обчислювальних завдань багаторазово. Зауважте, що за технологією CMOS, що використовується на сучасних комп’ютерах, необхідний зворотний зв'язок, щоб забезпечити, що результати, обчислені обчисленнями в різних частинах схеми, стають доступними одночасно для інших частин, оскільки, якби вони не були відносним часом, з яким надходять сигнали, становлять "інформацію", яку неможливо було б ідеально передавати за течією; інші технології можуть зробити можливим мати багато воріт поширювати сигнали з точно однаковою швидкістю, зберігаючи оборотність, але я не знаю жодної практичної технології для цього.

Зауважте, що з точки зору CS, неважливо зробити обчислювальний процес зворотним, якщо у нього спочатку порожній носій інформації, розмір якого по суті пропорційний кількості кроків, кратній кількості стану, що може змінитися на кожному кроці. Ця претензія не суперечить претензії попереднього пункту, оскільки для зберігання, пропорційного кількості кроків, потрібна буде схема, пропорційна кількості кроків, що означатиме схему, пропорційну кількості, яка була б необхідною, якби всі зворотній зв'язок був усунений.

Якщо дозволено мати виходи, які ігноруються, якщо за належних умов введення вони ніколи не піднімуться, то можливо, можливо, створити систему, яка теоретично отримала б користь від оборотної логіки. Наприклад, якщо був алгоритм, який працював на 256-словній пам'яті оперативної пам’яті, і хотіли використати «процесор оборотної логіки», який виконував 1 000 000 операцій в секунду, і кожна операція оновлювала або реєстр, лічильник програм, або один Слово оперативної пам’яті, можна було б використовувати «оборотний процесор», який би:

• запустив купу вказівок і надсилав на кожне, що було перезаписано, у буфер LIFO
• після виконання ряду інструкцій скопіюйте оперативну пам’ять у спочатку порожній буфер "переадресації"
• використовуючи значення в LIFO, виконайте всі обчислення в зворотному порядку
• перезаписуємо вміст основної оперативної пам’яті буфером пересилання, який буде видалено в процесі.

Вищевказаний рецепт можна повторювати будь-яку кількість разів для запуску алгоритму для довільної кількості кроків; тільки останній крок рецепту не був би оборотним. Кількість енергії, витраченої на алгоритмічний крок на незворотні операції, була б обернено пропорційною розміру LIFO, і, таким чином, можна було б зробити довільно невеликим, якби кожен будував для створення достатньо великого LIFO.

Для того, щоб ця здатність перетворилася на будь-яку економію енергії, необхідно було б мати LIFO, який би зберігав енергію під час введення інформації, і корисно повертати цю енергію під час її зчитування. Крім того, LIFO повинен був бути достатньо великим, щоб зберігати дані про стан для достатньої кількості кроків, щоб будь-яка енерговитрата на його використання була меншою, ніж кількість енергії, яку він корисно заощадив. Зважаючи на те, що кількість енергії, втраченої при зберіганні та пошуку N байтів з будь-якого практичного FIFO навряд чи буде O (1), незрозуміло, що збільшення N суттєво зменшить споживання енергії.

Практичні прикладні оборотні обчислення є активною сферою досліджень і, ймовірно, стануть більш помітними в майбутньому. Більшість квантових обчислень, як видно, намагаються створити оборотні ворота кубіту, і експериментально дуже складно відповідати теоретичним властивостям формалізму ЯМ, але постійно прогресує.

Іншим основним моментом є те, що в будь-який час зменшення розсіювання енергії на мікросхемі, це по суті переходить затворну систему на "більш оборотну", а розсіювання мікросхеми з низькою енергією вже давно є пріоритетним завданням мобільних обчислень (представляє собою свого роду зміна парадигми загальної галузі). Протягом десятиліть підвищення чіп-продуктивності (подібне до закону Мура) сталося дещо «розслабленим» або навіть «неохайним» з розсіюванням енергії, але це дойшло до зменшення прибутку кілька років тому. Провідний світовий виробник чіпів Intel намагається перетворити на мікросхеми меншої потужності, щоб конкурувати з Arm, що має перевагу після того, як ніколи нічого не будувати.

Можливо, є кілька проривних останніх досліджень з використанням надпровідної технології (червень 2014 р.), В цій галузі є й інші активні дослідницькі проекти.

Див., Наприклад, оборотні логічні ворота за допомогою адіабатичних надпровідних пристроїв / Takeuchi, Yamanashi, Yoshikawa, Nature:

Оборотні обчислення були вивчені з моменту, коли Рольф Ландауер висунув аргумент, який став відомим як принцип Ландауера. Цей принцип стверджує, що немає мінімального розсіювання енергії для логічних операцій при оборотних обчисленнях, оскільки це не супроводжується скороченням ентропії інформації. Однак до цих пір не було продемонстровано жодних практичних оборотних логічних воріт. Одна з проблем полягає в тому, що оборотні логічні ворота повинні бути побудовані за допомогою надзвичайно енергоефективних логічних пристроїв. Ще одна складність полягає в тому, що оборотні логічні ворота повинні бути як логічно, так і фізично оборотні. Тут ми пропонуємо перші практичні оборотні логічні ворота з використанням адіабатичних надпровідних пристроїв та експериментально продемонструємо логічну та фізичну оборотність затвора. Крім того, ми оцінюємо розсіювання енергії затвора, і обговорити мінімальний розсіювач енергії, необхідний для оборотних логічних операцій. Очікується, що результати цього дослідження дозволять оборотному обчислюванню перейти від теоретичного етапу до практичного використання.

Ворота Фредкіна реалістичні і багато з них були реалізовані. Існують цілі дошки FPGA, які строго використовують зворотні логічні ворота, реалізовані з використанням воріт Фредкіна та Тоффолі як їх LU.

Існує кілька проблем, що впливають на їх широке використання в архітектурі комп'ютера. Для воріт Фредкіна є кілька «рекламованих» переваг, які не обов'язково працюють так, як очікувалося в реальних схемах. Економія енергії оборотних логічних воріт пов'язана здебільшого тим, що вони не вимагають створення ентропії при виконанні операції. Як заявив Том ван дер Занден, це головна причина, чому оборотна логіка може бути набагато ефективнішою. Чому це не так у реальних схемах:

1. В даний час транзисторна технологія - це те, що обмежує швидкість та енергоспоживання комп’ютера, і, на жаль, потрібно більше транзисторів, щоб зробити ворота Фредкіна на відміну від традиційних нанду чи ні воріт. Це означає, що ворота Фредкіна витрачають більше енергії через витік транзистора і вимагають більше місця на кремній (що означає дорожче). Одного лише цього достатньо, щоб виправдати використання нанд / ні над воротами Фредкіна
2. Оскільки первинна форма втрати електроенергії від транзисторів, а не створення ентропії через фактичні обчислення, вам все одно потрібно запустити лінії живлення та заземлення до воріт Фредкіна, щоб компенсувати цю втрату електроенергії. Ці великі автобуси - це вентиляторні автобуси, які також займають багато місця на кремнію. Оскільки в воротах Фредкіна є більше транзисторів, це призводить до збільшення вентиляторів, а отже, і більше витраченого простору на кремній.
3. Хоча у нас є оборотні ворота Фредкіна, вони побудовані з нереверсивних пристроїв (транзисторів). Це означає, що деякі надходження енергії не реалізуються за допомогою технології поточних воріт (поза квантовими схемами).
4. Розмір і швидкість пов'язані з кремнієм, чим ближче речі, тим швидше ви можете зробити їх. Оскільки ворота Фредкіна використовують більше транзисторів і мають більше з'єднань для живлення тощо, вони, як правило, значно повільніше.
5. Переваги споживання електроенергії та переваги швидкості реалізуються лише тоді, коли біти успішно використовуються. Більшість алгоритмів у нас жахливо неконсервативні. Це можна переконатися, дослідивши реалізацію повного реєстру суматорів чи змін, використовуючи ворота fredkin. Оскільки оборотна логіка не дозволяє здійснювати логічне ввімкнення вентилятора та вивільнення, це призводить до безлічі обчислень бітів, які не в кінцевому підсумку використовуються для досягнення корисної операції. Щось таке, як додавання двох 8-розрядних чисел, дасть 9-бітову або корисну інформацію (8-бітний результат, 1 біт перенесення), але знадобиться шина вводу багатьох 1 і 0 констант і створить безліч невідступних бітів даних. Оскільки у вас ширша шина, це призводить до ще більшого поширення схеми на кремнію.
6. Крім того, процесор повинен скидати шматки, і це призведе до втрати енергії, оскільки вони ніколи не використовуються

Короткий зміст: Ворота Фредкіна виробляють багато обчислень відходів при впровадженні реальних алгоритмів. обчислення відходів = витрачена енергія. Через це збільшуються розміри шин, які поширюють речі і сповільнюють. Крім того, фізична реалізація воріт Фредкіна викликає більшу стурбованість сучасними технологіями. Поточна реалізація розширює все більше, вимагаючи більшої потужності та наземних ліній, щоб компенсувати втрати в ланцюзі (що набагато більше турбує втрати енергії) та використовує набагато більше нерухомості на кремнію (що набагато більше турбує про швидкість )

Я усвідомлюю, що це стара нитка, але багато відповідей зосереджені на тому, що транзистори неефективні. Моя мета - показати, що наші алгоритми також неефективні і не справляються з оборотними обчисленнями добре. Я інженер-комп’ютер, який захоплюється дослідженнями оборотних та квантових обчислень