Обратимые вычисления
Feb. 27th, 2012 02:27 am![[personal profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/user.png){kind=small}
kaipaРазбирая завал на столе, нашел распечатку статьи Conservative Logic. Совершенно не помню, когда ее распечатал "на потом". Начал читать, стало интересно. Основная мысль -- создание схемотехники, "работающей" не по традиционной логической схеме (в дискретной математике это называется СФЭ -- схема функциональных элементов), а по совсем другой, основное свойство которой сохранение (отсюда conservative) энергии, которая в традиционных системах совершенно расточительно рассеивается. Необходимым образом в таких схемах вытекает обратимость вычислительных и логических процессов. Статья старая, 1982г. Погуглил, нашелся вольный перевод этой статьи год назад на Хабре, веб-сайт критиков консервативной партии США и... почти все. Меня это очень озадачило, так как тема казалась важной. Я предположил, что само название "Консервативная логика" скорее всего не прижилось, и оказался прав. В современном мире это направление называется обратимыми вычислениями, а соответствующая схемотехника -- адибатической логикой.
На самом деле тут проблема очень глубокая и принципиальная, уходящая в самые основы современного понимания устройства мира. Из связи термодинамической и информационной энтропии следует, что любые манипуляции с информацией приводят к рассеиванию энергии. Есть даже теоретическая оценка минимума энергии, которая равна E ≥ kT ln2 на один бит. Это было известно все довольно давно, уже лет 50, но только сейчас, когда вычислительные мощности впечатляюще выросли, начинает по-настоящему припекать. Так, 100-петафлопсные суперкомьютеры (кажется, такие уже есть), излучают только "теоретического" тепла порядка 1 мегаватт, а практически гораздо больше. А это уже сегодняшний день. Завтра суперкомьютеры могут быть в 10-100-1000 раз мощнее, и соответственно вырастет количество теряемой энергии. Обратимые вычисления тут решают теоретически сразу две вещи. Во-первых, энергия не рассеивается, а используется. Как именно это может быть достигнуто, можно прочитать в вышеупомянутой статье. А во-вторых, появляется возможность "делать" схемы еще более "мелкими". Сейчас мешает термодинамический шум.
В настоящее время исследования в этой области проводятся в MIT и University of Florida. Уже есть прототипы чипов на адиабатической логике, а список текущих проектов показывает, что разрабатывается все, от физики, до системы программирования и теории сложности.
Все это очень интересно, но судя по всему менее популярно, чем квантовые компьютеры/вычисления. Возможно потому, что основной выигрыш в экономии энергии, а не в производительности, которую ждут от квантовых компьютеров.
На самом деле тут проблема очень глубокая и принципиальная, уходящая в самые основы современного понимания устройства мира. Из связи термодинамической и информационной энтропии следует, что любые манипуляции с информацией приводят к рассеиванию энергии. Есть даже теоретическая оценка минимума энергии, которая равна E ≥ kT ln2 на один бит. Это было известно все довольно давно, уже лет 50, но только сейчас, когда вычислительные мощности впечатляюще выросли, начинает по-настоящему припекать. Так, 100-петафлопсные суперкомьютеры (кажется, такие уже есть), излучают только "теоретического" тепла порядка 1 мегаватт, а практически гораздо больше. А это уже сегодняшний день. Завтра суперкомьютеры могут быть в 10-100-1000 раз мощнее, и соответственно вырастет количество теряемой энергии. Обратимые вычисления тут решают теоретически сразу две вещи. Во-первых, энергия не рассеивается, а используется. Как именно это может быть достигнуто, можно прочитать в вышеупомянутой статье. А во-вторых, появляется возможность "делать" схемы еще более "мелкими". Сейчас мешает термодинамический шум.
В настоящее время исследования в этой области проводятся в MIT и University of Florida. Уже есть прототипы чипов на адиабатической логике, а список текущих проектов показывает, что разрабатывается все, от физики, до системы программирования и теории сложности.
Все это очень интересно, но судя по всему менее популярно, чем квантовые компьютеры/вычисления. Возможно потому, что основной выигрыш в экономии энергии, а не в производительности, которую ждут от квантовых компьютеров.
![[identity profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/openid.png){kind=small}
no subject
Date: 2012-08-16 11:26 am (UTC)Насколько я понимаю, основная мысль в том, что обратимые вычисления -- это консервативная система. То есть информация может переходить в тепло, но тогда должен быть способ перевести тепло обратно в информацию. Посмотрите статью или пересказ на Хабре, там рассказывается, как можно "замкнуть" энергию, которая обычно рассеивается, на созидательные цели. Совсем без поступления энергии, конечно, не обойтись. Пока что речь только о "переиспользовании" того, что обычно теряется в процессе преобразования информации. И здесь есть результаты, в том числе и практические.
no subject
Date: 2012-08-16 12:24 pm (UTC)http://www.cs.duke.edu/~reif/courses/complectures/AltModelsComp/Landauer/Landauer.irreversibility.pdf
(возможно стоит прочитать чтобы понять насколько ясным было мышление инженеров в 61-м году).
основные выводы:
- Компьютерные вычисления принципиально нереверсивны (!) - в статье говорится что попытка сделать компьютер полностью реверсивным приводит к эквивалентной нереверсивности при загрузке информации.
- И из этого следует что на вычисления должна расходоваться некотрая минимальная энергия (в статье она вычисляется).
- Однако в реальных вычислительных устройствах эта затрачиваемая энергия намного больше потому что нужно преодолевать неполное переключение и потерю информации от термальных флуктуаций (причём чем больше скорость переключений (= частота процессора) тем больше энергии надо затрачивать на логическую операцию).
no subject
Date: 2012-08-16 12:26 pm (UTC)(сообщение со ссылкой отмечается как спам, но PDF-документ можно найти набрав в гугле запрос:
landauer Irreversibility and heat generation in the computing process pdf )
(возможно стоит прочитать чтобы понять насколько ясным было мышление инженеров в 61-м году).
основные выводы:
- Компьютерные вычисления принципиально нереверсивны (!) - в статье говорится что попытка сделать компьютер полностью реверсивным приводит к эквивалентной нереверсивности при загрузке информации.
- И из этого следует что на вычисления должна расходоваться некотрая минимальная энергия (в статье она вычисляется).
- Однако в реальных вычислительных устройствах эта затрачиваемая энергия намного больше потому что нужно преодолевать неполное переключение и потерю информации от термальных флуктуаций (причём чем больше скорость переключений (= частота процессора) тем больше энергии надо затрачивать на логическую операцию).
no subject
Date: 2012-08-16 12:37 pm (UTC)