Neden ters çevrilebilir kapılar kullanılmıyor?

Kurzweil tarafından yazılmış "Tekillik yakındadır" kitabını okuyordum ve örneğin Fredkin kapısı gibi tersinir kapılardan bahsetti . Bu gibi geçitleri kullanmanın avantajı, bitlerin sadece ısıya kaybolduğu hesaplamayla ilgili termal atıklardan kurtulabilmemiz ve hesaplamanın herhangi bir enerji girdisine ihtiyaç duymamasıdır. Bu varsayımlar bu kapıların mucize bir çözüm gibi görünmesini sağlar. Öyleyse asıl sorun, teknik engellerin hala geniş ölçekli kullanımlarını engellediğidir.

Ayrıca, elektrik mühendisliği lisans programımdaki en üst düzey Alman üniversitesindeki yüksek lisans ve yüksek lisans çalışmalarımdaki kapıları hiç duymamamın bir utanç olduğunu düşünüyorum.

Bu konuda uzman değilim ama sadece Wikipedia'yı rahatça okuyarak:

Küresel bilardo toplarının sürtünmesiz bir ortamda toplarının mükemmel şekilde zıpladığı tamponlardan oluşan hareketine dayanır.

... bu çok gerçekçi görünüyor.

Henüz hiç kimse bu tür kapıları nasıl yapacağını henüz çözemedi, sadece teorik olarak ilgileniyorlar. Bu, mühendisliğin genellikle uygulamayla ilgilendiği için neden hiç duymadığınızı açıklayabilir.

Tersinir Hesaplama öncül bir bit kaybolduğunda, bir miktar ısı üretilmesidir. Tersinir kapılar kullanıldığında, hiçbir bit hiç görünmez veya kaybolmaz, bu yüzden hesaplamanın tersinir kapılarla çok daha verimli olacağı söylenir.

Döner İşlem istemler almak için teorik limiti bilgileri 1 bit silme en az oluşturmasıdır ısı enerjisi. 60 numarada çalışan bir bilgisayar için$kT\ln 2$ ile 10 9 transistor her verme bit oranında yok$60\,{}^\circ\mathrm{C}$$10^9$ , 16'ya karşılık gelir$5\,\mathrm{GHz}$ ısı oluşumu. Yani çok küçük bir bölümüne (hesapları 1 / 10000 bilgisayarın enerji kullanımının).$16\,\mathrm{mW}$$1/10000$

Mevcut bilgisayarlarımız, kaybolan bitlerle ilişkili ısı üretimi ile sınırlı değildir. Küçük bakır izleri üzerinde hareket eden elektronlardaki doğal verimsizliklerle sınırlıdırlar.

Pratik tersine çevrilebilir kapıların (silikonda imal edilmiş (ve yapılmış) kapılar) sorunu, gerçek enerji tasarrufunun, onları ne kadar yavaş çalıştırdığınızla doğrusal olarak orantılı olmasıdır .

Tom Knight'ın MIT'deki araştırma grubunun 1990'ların sonlarında küçük bir adyabatik işlemci ürettiğini biliyorum. Geliştirdikleri pratik mantık ailesine bölünmüş seviyeli şarj kurtarma mantığı adı verilir ve standart (CMOS) imalat teknikleri kullanılarak uygulanabilir. Çalışmanın Florida Eyalet Üniversitesi'ndeki Michael P Frank tarafından sürdürüldüğünü düşünüyorum. Tom Knight grubundaki çalışmalara örnek olarak aşağıdaki yüksek lisans tezi (1990'ların başlarında ilgili çalışmalar hakkında oldukça iyi bir bölüm var.) Vieri, CJ: Sarkaç: Tersinir Bir Bilgisayar Mimarisi , Yüksek Lisans Tezi, MIT EECS dept, 1995.

Tersinir devrelerin adyabatik olması gerekir (devre ile çevresi arasında ısı değişimleri olamaz), bu da her zaman dengede olmaları gerektiği anlamına gelir. Bir şeyi değiştirmesi gereken herhangi bir işlem için, değişimin mümkün olduğu kadar yavaş olmasını sağlayarak dengeyi ancak yaklaşık olarak hesaplayabilirsiniz.

Termodinamiğimi doğru hatırlıyorsam geri dönüşümlü bir hesaplamanın enerjisini keyfi olarak küçük yapabilirsiniz, ancak minimum işlem (enerji zaman süresi) küçük bir sabit olmalıdır.

Büyük ölçekli kullanımlarını engelleyen en büyük engel, asenkron devreler ve diğer standart dışı devre tasarımları ile aynıdır: Moore yasası.

Moore'un yasası, kendini gerçekleştiren bir kehanet haline geldi; Tick ​​Tock Release Schedule tarafından görüldüğü gibi , çip üreticileri Moore kanununu yerine getirmenin bir zorluk olduğunu düşünüyor. Moore kanununu yerine getirme gereği nedeniyle, litografiyi ilerleterek (ve genellikle çok yollu gibi hileleri kullanarak) cips boyutunu küçültme konusunda gittikçe daha fazla ustalık kazandık.

Bütün bunların tersinir kapılarla ne ilgisi var? Dökümhaneler daha yeni ve daha küçük transistör boyutlarını serbest bırakmak için yarışırken, yeni çipler basmak isteyen şirketler, daha fazla önbellek ekleyerek ve bu önbelleği daha iyi kullanmak için geleneksel tasarımlarını elden geçirerek, hız artışı için kolay bir yol görüyorlar.

Katili daha iyi teknolojik Hurtles değildir; bu yeterince iyi bir başarıdır .

Faydalı hesaplama cihazları, geri besleme gerektirir, bu da bir devre elemanının sınırsız sayıda sıralı hesaplama yapmasını mümkün kılar. Kullanılabilir geri besleme devreleri, toplam giriş sayısını (hem çıkışlardan geri beslenenleri hem de olmayanları sayarak) girişleri geri beslenen çıkışların sayısını (girişlerin sayısının tek yolu) geçen bölümleri içermelidir. • Devrelerin dış uyaranlara herhangi bir şekilde yanıt vermemesi durumunda, geri besleme çıkışlarının sayısını aşmayın). Mükemmel tersinir mantıksal fonksiyonlar çıktılardan daha fazla girişe sahip olamadığından, onlardan önemsiz olmayan bilişim işlemlerini tekrar tekrar yapmak için gereken geri bildirim yapılarından herhangi birini oluşturmak mümkün değildir.. Günümüzün bilgisayarlarında kullanılan CMOS teknolojisiyle, bir devrenin farklı bölümlerindeki hesaplamalar tarafından bildirilen sonuçların, diğer sinyallerin eşzamanlı olarak sunulmasını sağlamak için geri bildirim gerektiğine dikkat edin; aşağı doğru mükemmel şekilde geçilemeyen "bilgi" yi oluşturur; diğer teknolojiler, birçok geçidin, tersinirliği koruyarak sinyalleri tam olarak aynı oranda yaymasını mümkün kılabilir, ancak bunun için pratik bir teknoloji bilmiyorum.

CS açısından bakıldığında, başlangıçta boş bir depolama ortamına sahip olması durumunda, temelde her adımda değişebilecek durum miktarının adım sayısıyla orantılı olan bir hesaplama sürecinin geri dönüşümlü hale getirilmesi önemsizdir. Bu iddia, önceki paragrafın iddiasına aykırı değildir, çünkü adım sayısına orantılı depolama, tüm geri bildirimlerin ortadan kaldırılması durumunda gerekli olan miktarla orantılı devre anlamına gelecek olan adım sayısına orantılı devre gerektirecektir.

Eğer birinin uygun giriş koşulları verildiğinde, asla yüksek çıkmayacaksa, ihmal edilmiş çıktılara sahip olmasına izin verilirse, teorik olarak, tersinir mantıktan yarar sağlayacak bir sistem tasarlamak mümkün olabilir. Örneğin, bir kişi 256 kelimelik bir RAM yığınında çalışan bir algoritmaya sahipse ve biri saniyede 1.000.000 işlem gerçekleştiren bir "tersinir mantıksal CPU" kullanmak istiyorsa ve her işlem bir kayıt defteri, program sayacı veya birini güncellediyse RAM kelimesi, biri "tersinir bir CPU" kullanabilirdi ki:

• Bir sürü talimat koştum ve her birine LIFO tamponuna yazılanları gönder
• Bir dizi komut uygulandıktan sonra, RAM’i başlangıçta boş bir "iletme" tamponuna kopyalayın
• LIFO’daki değerleri kullanarak tüm hesaplamaları tersten çalıştırın
• Bu işlem sırasında silinecek olan iletme tamponu ile ana RAM içeriğinin üzerine yaz.

Yukarıdaki tarif, algoritmayı rastgele sayıda adım için çalıştırmak üzere herhangi bir sayıda tekrar edilebilir; Tarifin sadece son adımı geri dönüşlü olamazdı. Geri dönüşümlü olmayan işlemlerde algoritmik adım başına harcanan enerji miktarı, LIFO'nun büyüklüğü ile ters orantılı olacaktır ve bu nedenle eğer biri yeterince büyük bir LIFO inşa etmek için inşa ediliyorsa, keyfi olarak küçük yapılabilir.

Bununla birlikte, bu herhangi bir tür enerji tasarrufuna çevrilebilmesi için, bilgi girildiğinde enerjiyi depolayacak bir LIFO'ya ve bilgi okunduğunda bu enerjiyi yararlı bir şekilde geri getirmeye ihtiyaç duyacağız. Dahası, LIFO, devlet verilerini, onu kullanmanın herhangi bir enerji maliyetinin, kullandığı enerji miktarından daha az olması için yeterli adımlar için yeterli olacak kadar büyük olması gerekecektir. N baytların depolanmasında ve alınmasında herhangi bir pratik FIFO'dan geri kazanılmasında harcanan enerji miktarının O (1) olması muhtemel olmadığı göz önüne alındığında, artan N'nin enerji tüketimini anlamlı olarak azaltacağı açık değildir.

Pratik uygulamalı geri dönüşümlü hesaplama aktif bir araştırma alanıdır ve gelecekte daha belirgin hale gelmesi muhtemeldir. Kuantum hesaplamanın çoğunun, tersinir bir pıhtı geçiş kapısı yaratmaya çalıştığı görülebilir ve QM formalizminin teorik özelliklerini eşleştirmek deneysel olarak çok zordur, ancak sürekli ilerleme kaydedilmektedir.

Bir başka temel nokta, bir çipte herhangi bir zamanda enerji dağılımının azaltılması, esas olarak geçit sistemini "daha geri dönüşümlü" hale getirmesidir ve düşük enerjili çip dağıtımı, uzun süredir mobil hesaplamada yüksek bir öncelik olmuştur (bir çeşit temsil endüstri çapında paradigma kayması). On yıllardır çip performans kazanımları (Moore yasalarına benzer şekilde), enerji dağıtımıyla bir miktar "rahat" veya hatta "özensiz" olarak ortaya çıktı, ancak birkaç yıl önce azalan bir dönüş noktasına ulaştı. Dünyanın önde gelen yonga üreticisi Intel, hiçbir şey inşa etmeden sonra bir avantaja sahip olan Arm ile rekabet edebilmek için daha düşük güçlü yongalara girmeye çalışıyor.

Süperiletken teknolojisini kullanan bazı yeni araştırmalar var (Haziran 2014) ve bu alanda başka aktif araştırma projeleri var.

Örneğin , adyabatik süper-iletken aygıtları kullanarak tersinir mantık kapısına bakınız / Takeuchi, Yamanashi, Yoshikawa, Nature:

Rolf Landauer, Landauer'ın ilkesi olarak bilinen argümanı ileri sürdüğünden, geri dönüşümlü hesaplama yapılmıştır. Bu ilke, tersinir bilgisayarlarda mantıksal işlemler için minimum enerji dağıtımı olmadığını belirtir, çünkü bilgi entropisindeki azalmalar eşlik etmez. Ancak, şimdiye kadar, pratik bir tersinir mantık kapısı gösterilmemiştir. Sorunlardan biri, tersinir mantık kapılarının, son derece enerji tasarruflu mantık cihazları kullanarak yapılması gerektiğidir. Diğer bir zorluk, tersinir mantık kapılarının hem mantıksal hem de fiziksel olarak tersinir olması gerektiğidir. Burada adyabatik süper-iletken cihazları kullanan ilk pratik tersine çevrilebilir mantık kapısını öneriyoruz ve deneysel olarak kapının mantıksal ve fiziksel tersine çevrilebilirliğini göstermektedir. Ek olarak, kapının enerji dağıtımını tahmin ediyoruz, ve tersinir mantık işlemleri için gereken minimum enerji tüketimini tartışınız. Bu çalışmanın sonuçlarının geri dönüşümlü hesaplamanın teorik aşamadan pratik kullanıma geçmesini sağlayacağı beklenmektedir.

Fredkin kapıları gerçekçi ve birçok uygulandı. Tüm FPGA panoları kesinlikle LU'ları olarak Fredkin ve Toffoli kapıları kullanılarak uygulanan tersinir mantık kapılarını kullanıyor.

Bilgisayar mimarisinde yaygın kullanımlarını etkileyen birkaç sorun var. Gerçek devrelerde beklendiği gibi çalışmayan fredkin kapılarına yönelik "reklam" avantajları vardır. Tersinir mantık kapılarının enerji tasarrufu, çoğunlukla bir işlem yapıldığında entropi oluşturmalarını gerektirmemeleri gerçeğinden kaynaklanmaktadır. Tom van der Zanden tarafından belirtildiği gibi, tersinir mantığın çok daha verimli olmasının temel nedeni budur. Neden gerçek devrelerde durum böyle değil:

1. Günümüzde transistör teknolojisi, bilgisayar hızını ve güç tüketimini sınırlayan daha fazla şeydir ve ne yazık ki, geleneksel geçit veya geçitlerin aksine, bir geçit kapısı yapmak için daha fazla transistör gerekir. Bu, fredkin kapılarının transistör sızıntısı nedeniyle daha fazla enerji boşa harcadığı ve silikon üzerinde daha fazla alan gerektirdiği anlamına gelir (bu daha pahalı demektir). Bu tek başına nand / nor fredkin kapıları kullanarak haklı göstermek için yeterlidir
2. Asıl güç kaybı şekli, transistörlerden ve gerçek hesaplama nedeniyle entropi oluşturmadığından, bu güç kaybını telafi etmek için yine de güç ve topraklama hatlarını fredkin kapılarına yönlendirmeniz gerekir. Bu büyük otobüsler, silikon üzerinde çok fazla yer kaplayan fanlı otobüslerdir. Bir geçit kapısında daha fazla transistör bulunduğundan, bu durum daha fazla içeri girmeye ve dolayısıyla silikonda daha fazla boşa harcanmasına neden olur.
3. Tersinir fredkin kapılarımız olmasına rağmen, bunlar tersinir olmayan cihazlardan (transistörler) yapılmıştır. Bu, bazı enerji kazanımlarının mevcut kapı teknolojisi ile (kuantum devrelerinin dışında) gerçekleştirilmediği anlamına gelir.
4. Boyut ve hız silikon ile ilgilidir, bir şeyler birbirine ne kadar yakınsa, genellikle bunları o kadar hızlı yapabilirsiniz. Fredkin kapıları daha fazla transistör kullandığından ve güç için daha fazla bağlantıya sahip olmasından dolayı, bunlar daha yavaş olma eğilimindedir.
5. Güç tüketimi avantajları ve hız avantajları, yalnızca bitler başarıyla kullanıldığında gerçekleşir. Elimizdeki algoritmaların çoğu korkunç derecede muhafazakar değil. Bunu, fredkin kapılarını kullanarak tam bir toplayıcı veya vardiya kaydının bir uygulamasını araştırarak görebilirsiniz. Tersinir mantık, mantıksal giriş ve çıkış işlemine izin vermediğinden, bu, yararlı bir işlem elde etmek için kullanılmayan, çok fazla bit hesaplamasına yol açar. İki 8-bitlik sayı eklemek gibi bir şey 9-bitlik veya faydalı bilgiler (8-bitlik sonuç, 1-bitlik bit) üretecektir, fakat birçok 1 ve 0 sabitli bir giriş veri yolu gerektirecek ve birçok önemsiz veri çıkış bitini üretecektir. Daha geniş bir otobüsünüz olduğundan, bu durum silikon üzerinde daha da yayılmış bir devreye neden olur.
6. Ek olarak, önemsiz bitler, işlemci tarafından atılmalıdır ve bu nedenle, hiçbir zaman kullanılmadıkları için enerji kaybına neden olurlar.

Özet: Fredkin kapıları, gerçek algoritmaları uygularken çok fazla atık hesaplama yapar. atık hesaplama = boşa enerji. Bu sebeple, otobüs boyutları artmakta ve bu da işleri yavaşlatmaktadır. Ek olarak, fredkin kapılarının fiziksel uygulaması mevcut teknoloji için büyük endişe kaynağıdır. Mevcut uygulama, devredeki kayıpları telafi etmek için daha fazla güç ve toprak hattı gerektirerek daha fazla yayılmasını sağlar (enerji kaybı için çok daha büyük bir endişedir) ve silikonda çok daha fazla emlak kullanır (bu, hız için çok daha büyük bir endişe kaynağıdır). )

Bunun eski bir konu olduğunun farkındayım, ancak cevapların çoğu transistörlerin yetersiz kaldığına odaklanıyor. Amacım, algoritmalarımızın da verimsiz olduğunu ve geri dönüşümlü hesaplama işlemlerini iyi idare etmiyor olmasıdır. Ben tersinir ve kuantum bilişimi araştırmaktan hoşlanan bir bilgisayar mühendisiyim