可逆計算將在 2025 年逃離實驗室

Michael Frank 的職業(yè)生涯一直是一名學(xué)術(shù)研究員，在計算機工程的一個非常特殊的領(lǐng)域工作了三十多年。根據(jù) Frank 的說法，這個奇特的利基市場終于到了?！敖衲暝缧r候，我決定現(xiàn)在是嘗試將這種東西商業(yè)化的合適時機，”Frank 說。2024 年 7 月，他辭去了桑迪亞國家實驗室高級工程科學(xué)家的職位，加入了一家總部位于美國和英國的初創(chuàng)公司 Vaire Computing。
Frank 認為，現(xiàn)在是將他畢生的事業(yè)（稱為可逆計算）從學(xué)術(shù)界帶入現(xiàn)實世界的合適時機，因為計算行業(yè)的能源正在耗盡?！拔覀冊絹碓浇咏岣邆鹘y(tǒng)芯片能效的終點，”Frank 說。根據(jù) Frank 幫助編輯的 IEEE 半導(dǎo)體行業(yè)路線圖報告，到本十年后期，傳統(tǒng)數(shù)字邏輯的基本能效將趨于穩(wěn)定，“這將需要更多非常規(guī)的方法，就像我們正在追求的那樣，”他說。

隨著摩爾定律的跌跌撞撞，以及以能源為主題的表親庫米定律的放緩，可能需要一種新的范式來滿足當今世界日益增長的計算需求。根據(jù) Frank 在阿爾伯克基桑迪亞的研究，與傳統(tǒng)方法相比，可逆計算可提供高達 4,000 倍的能源效率提升。
“摩爾定律有點崩潰了，或者說真的放慢了速度，”Zettaflops 的創(chuàng)始人 Erik DeBenedictis 說，他與 Vaire 無關(guān)?！?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/可逆計算">可逆計算是重振摩爾定律或進一步提高能源效率的少數(shù)選項之一?！?br/>Vaire 的第一個原型預(yù)計將于 2025 年第一季度制造，但目標不那么雄心勃勃——它正在生產(chǎn)一種芯片，該芯片首次回收了算術(shù)電路中使用的能量。下一款芯片預(yù)計將于 2027 年上市，將是專門用于 AI 推理的節(jié)能處理器。4,000 倍的能源效率改進在 Vaire 的路線圖上，但可能需要 10 年或 15 年。
“我覺得這項技術(shù)很有前途，”田納西大學(xué)諾克斯維爾分校電氣工程和計算機科學(xué)副教授 Himanshu Thapliyal 說，他與 Vaire 無關(guān)?！暗泊嬖谝恍┨魬?zhàn)，希望 Vaire Computing 能夠克服一些挑戰(zhàn)?！?br/>
什么是可逆計算？
直覺上，信息似乎是一個短暫的抽象概念。但在 1961 年，IBM 的 Rolf Landauer 發(fā)現(xiàn)了一個令人驚訝的事實：擦除計算機中的一點信息必然會消耗能量，而能量會以熱量的形式流失。Landauer 突然想到，如果你在不擦除任何信息的情況下進行計算，或者說是“可逆地”進行計算，那么至少在理論上，你可以在根本不使用任何能源的情況下進行計算。
蘭道爾本人認為這個想法不切實際。如果要存儲每個 Importing 和中間計算結(jié)果，則很快就會用不必要的數(shù)據(jù)填滿內(nèi)存。但 Landauer 的繼任者 IBM 的 Charles Bennett 發(fā)現(xiàn)了這個問題的解決方法。不僅可以將中間結(jié)果存儲在內(nèi)存中，還可以在不再需要該結(jié)果時反轉(zhuǎn)計算或“取消計算”。這樣，只需要存儲原始輸入和最終結(jié)果。
舉一個簡單的例子，例如異 OR 或 XOR 門。通常，門是不可逆的 — 有兩個 inputs，只有一個 output，知道 output 并不能為您提供有關(guān)輸入內(nèi)容的完整信息?？梢酝ㄟ^添加額外的 output（原始 inputs之一的副本）來可逆地完成相同的計算。然后，使用這兩個 outputs，可以在 decomputation 步驟中恢復(fù)原始 Importing。

傳統(tǒng)的互斥 OR （XOR） 門是不可逆的 — 您不能僅通過知道輸出來恢復(fù)輸入。添加額外的 output，只是其中一個 inputs 的副本，使其可逆。然后，這兩個輸出可用于“反計算”XOR 門并恢復(fù)輸入，以及計算中使用的能量。

這個想法在學(xué)術(shù)界越來越受歡迎，在 1990 年代，在麻省理工學(xué)院的 Thomas Knight 手下工作的幾名學(xué)生開始了一系列可逆計算芯片的原理驗證演示。其中一位學(xué)生是弗蘭克。雖然這些演示表明可逆計算是可能的，但電光插頭的功耗不一定會減少：盡管電力在電路本身內(nèi)部恢復(fù)，但隨后在外部電源中丟失。這就是 Vaire 著手解決的問題。


在 CMOS 中進行可逆計算
Landauer 限制給出了能源信息擦除成本的理論最小值，但沒有最大值。今天的 CMOS 實現(xiàn)使用比理論上可能的 1000 倍以上的能量來擦除一個比特。這主要是因為晶體管需要保持高信號能量以確保可靠性，并且在正常運行下，所有這些都會以熱量的形式消散。
為了避免這個問題，已經(jīng)考慮了可逆電路的許多替代物理實現(xiàn)，包括超導(dǎo)計算機、分子機器，甚至活細胞。然而，為了使可逆計算切實可行，Vaire 的團隊堅持使用傳統(tǒng)的 CMOS 技術(shù)?！翱赡嬗嬎阋呀?jīng)足夠具有顛覆性了，”Vaire 首席技術(shù)官兼聯(lián)合創(chuàng)始人 Hannah Earley 說?！拔覀儾幌胪瑫r破壞其他一切?！?br/>為了使 CMOS 與可逆性完美配合，研究人員必須想出聰明的方法來恢復(fù)和再循環(huán)這些信號能量?！澳壳斑€不清楚如何讓 CMOS 可逆地運行，”Earley 說。
減少晶體管使用過程中產(chǎn)生不必要熱量的主要方法（絕熱運行）是緩慢增加控制電壓，而不是突然升高或降低。Earley 認為，這可以在不增加額外計算時間的情況下完成，因為目前晶體管開關(guān)時間保持相對較慢，以避免產(chǎn)生過多的熱量。因此，您可以保持開關(guān)時間不變，只需更改進行開關(guān)的波形，從而節(jié)省能源。然而，絕熱開關(guān)確實需要一些東西來產(chǎn)生更復(fù)雜的斜坡波形。
從 0 到 1 翻轉(zhuǎn)一點，將晶體管上的柵極電壓從低電平變?yōu)楦唠娖綘顟B(tài)，仍然需要能量。訣竅是，只要你不將能量轉(zhuǎn)化為熱量，而是將大部分能量儲存在晶體管本身中，你就可以在反計算步驟中回收大部分能量，在這個步驟中，任何不再需要的計算都會被逆轉(zhuǎn)。Earley 解釋說，回收該能量的方法是將整個電路嵌入諧振器中。
諧振器有點像一個擺動的鐘擺。如果沒有來自鐘擺鉸鏈或周圍空氣的摩擦，鐘擺將永遠擺動，每次擺動都會上升到相同的高度。在這里，鐘擺的擺動是為電路供電的電壓的上升和下降。在每次上升時，執(zhí)行一個計算步驟。在每次下降時，都會執(zhí)行一次反計算，以回收能量。
在每一個實際的實現(xiàn)中，每次擺動仍然會損失一定量的能量，因此鐘擺需要一些動力來保持它繼續(xù)前進。但 Vaire 的方法為最大限度地減少這種摩擦鋪平了道路。將電路嵌入諧振器中，同時會產(chǎn)生絕熱晶體管開關(guān)所需的更復(fù)雜的波形，并提供回收節(jié)省的能量的機制。

通往商業(yè)可行性的漫漫長路
盡管之前已經(jīng)提出了將可逆邏輯嵌入諧振器的想法，但還沒有人構(gòu)建出將諧振器片上與計算內(nèi)核集成的諧振器。Vaire 的團隊正在努力開發(fā)這款芯片的第一個版本。最簡單的諧振器，也是團隊首先解決的諧振器，是電感電容 （LC） 諧振器，其中電容器的作用由整個電路扮演，片上電感器用于保持電壓振蕩。
Vaire 計劃在 2025 年初送去制造的芯片將是嵌入 LC 諧振器中的可逆加法器。該團隊還在開發(fā)一種芯片，該芯片將執(zhí)行乘法累加運算，這是大多數(shù)機器學(xué)習應(yīng)用中的基本計算。在接下來的幾年里，Vaire 計劃設(shè)計第一款專門用于 AI 推理的可逆芯片。
Frank 說：“我們的一些早期測試芯片可能是低端系統(tǒng)，尤其是功率受限的環(huán)境，但不久之后，我們也開始針對高端市場。
LC 諧振器是在 CMOS 中實現(xiàn)的最直接方法，但它們的品質(zhì)因數(shù)相對較低，這意味著電壓擺錘會以一些摩擦運行。Vaire 團隊還致力于集成微機電系統(tǒng) （MEMS） 諧振器版本，該版本更難集成到芯片上，但有望實現(xiàn)更高的質(zhì)量因數(shù)（更少的摩擦）。Earley 預(yù)計基于 MEMS 的諧振器最終將提供 99.97% 的無摩擦運行。
在此過程中，該團隊正在為可逆計算設(shè)計新的可逆邏輯門架構(gòu)和電子設(shè)計自動化工具?！拔艺J為，我們的大部分挑戰(zhàn)將在于定制制造和異質(zhì)集成，以便將高效的諧振器電路與邏輯結(jié)合在一個集成產(chǎn)品中，”Frank 說。
Earley 希望這些是公司能夠克服的挑戰(zhàn)?！霸瓌t上，這使 [我們] 在未來 10 到 15 年內(nèi)能夠?qū)⑿阅芴岣?4,000 倍，”她說?！罢娴?，這將取決于你能得到多好的諧振器?！?/p>