Shutterstock
Technologia

Gorąca idea zimnych obliczeń

Zwykłe komputery generują mnóstwo zbędnego ciepła. Komputery kwantowe są w powijakach. Ale może da się obejść tego typu ograniczenia szerokim łukiem nowego pomysłu na obliczenia. Jadąc po bandzie tego, na co pozwala fizyka.

Komputery są gorące. Dosłownie. Laptop parzy w uda, a centra danych zużywają rocznie ok. 200 terawatogodzin – mniej więcej tyle, co niektóre średniej wielkości kraje. Cały ślad węglowy technologii związanych z przetwarzaniem i przesyłem informacji jest zbliżony tego, który zostawia przemysł lotniczy. A im obwody scalone stają się mniejsze i gęściej upakowane, tym bardziej są podatne na uszkodzenia termiczne – na skutek energii rozpraszanej w postaci ciepła.

Fizyk James Crutchfield z University of California w Davis i jego doktorant Kyle Ray zaproponowali właśnie nowy sposób przeprowadzania obliczeń, w którym rozproszeniu ulegałaby tylko niewielka część ciepła wytwarzanego przez konwencjonalne obwody. Dowodzą, że ich rozwiązanie mogłoby je zredukować do poziomu niższego niż ten nakładany przez prawa fizyki na dzisiejsze komputery. Oznaczałoby to oszczędności energii potrzebnej zarówno do wykonywania obliczeń, jak i do chłodzenia. I można by było ten efekt osiągnąć używając istniejących urządzeń mikroelektronicznych.

Nie ma obliczeń za darmo – usuwanie informacji kosztuje

W 1961 r. fizyk Rolf Landauer z IBM Thomas J. Watson Research Center w Yorktown Heights w stanie Nowy Jork wykazał, że wykonywanie konwencjonalnych obliczeń wiąże się z nieuniknionymi kosztami w postaci rozpraszania energii – generowane są ciepło i entropia. Dzieje się tak, ponieważ konwencjonalny komputer musi czasami usuwać bity informacji ze swojej pamięci, aby zrobić miejsce na kolejne. Za każdym razem, gdy resetowany jest pojedynczy bit (o wartości jeden lub zero), rozpraszana jest pewna minimalna ilość energii – którą Ray i Crutchfield ochrzcili nazwą „Landauer”. (…)

Znawcy nauk komputerowych już dawno temu zdali sobie sprawę, że limit Landauera można obniżyć przez NIE usuwanie żadnych informacji. Obliczenie wykonane w ten sposób jest w pełni odwracalne, bo można prześledzić każdy jego etap. Może się wydawać, że taki proces szybko zapełni pamięć komputera. Ale w latach 70. Charles Bennett, również z TJ Watson, wykazał, że zamiast odrzucać informacje po wykonaniu obliczeń, można je prowadzić tak, by odwracać kroki pośrednie, cofając komputer do stanu pierwotnego.

Haczyk tkwi w tym, że aby uniknąć przekazywania ciepła (…), szereg operacji logicznych w obliczeniach musi być zwykle wykonywany nieskończenie powoli. W pewnym sensie takie podejście pozwala uniknąć „ogrzewania przez tarcie”, ale dzieje się tak kosztem nieskończenie długiego czasu potrzebnego na wykonanie obliczeń. Nie wydaje się to zatem rozwiązaniem praktycznym. „Powszechna jest opinia, że ​​rozpraszanie energii w obliczeniach odwracalnych jest proporcjonalne do ich szybkości” – mówi informatyk Michael Frank z Sandia National Laboratories w Albuquerque w stanie Nowy Meksyk.

Obliczenia oparte na pędzie wymagają wysokiego tempa

Obliczenia wykonywane przez tradycyjne komputery i tak nie zbliżają się do limitu Landauera: obecnie generują około kilku tysięcy Landauerów na operację logiczną i trudno jest wyobrazić sobie, jak nawet superwydajne chipy krzemowe przyszłości mogłyby zejść poniżej stu. Ale Ray i Crutchfield twierdzą, że można to zrobić lepiej, kodując informacje w prądach elektrycznych w nowy sposób: nie w ładunkach, ale w pędach poruszających się cząstek. Umożliwiłoby to odwracalne przetwarzanie danych bez redukowania szybkości.

Kluczową koncepcją, którą dwójka badaczy i ich współpracownicy przedstawili w ubiegłym roku, jest kodowanie bitu informacji w formie pędu cząstki. To rodzaj pamięci „za darmo” – uwzględniającej informacje o przeszłym i przyszłym ruchu cząstki, a nie tylko o jej stanie chwilowym. „Wcześniej o informacji stanowiła tylko pozycja. Pytaliśmy: Gdzie jest cząstka? Czy dany elektron jest w tym, czy w tamtym kanale? – mówi Crutchfield. – Obliczenia oparte na pędzie wykorzystują informacje o położeniu, ale także o prędkości”.

Te dodatkowe informacje można wykorzystać do obliczeń odwracalnych. Aby pomysł zadziałał, operacje logiczne muszą zachodzić znacznie szybciej niż czas potrzebny bitowi na osiągnięcie równowagi termicznej z otoczeniem. Ona sprawia iż ruch bitu staje się przypadkowy, a informacja ulega zamazaniu. Innymi słowy, „obliczenia oparte na pędzie wymagają, aby urządzenie działało z dużą szybkością” – mówi Crutchfield.

Komputer kwantowy naturalnym kandydatem do testów nowego pomysłu

Naukowcy zastanawiali się, jak wykorzystać ten pomysł do wykonywania operacji logicznej zwanej zamianą bitów, w której swoją wartość jednocześnie zmieniają dwa bity: „jedynka” staje się „zerem“ i odwrotnie. Żadna informacja nie jest odrzucana; jest po prostu rekonfigurowana, co oznacza, że ​​teoretycznie nie ma strat ciepła związanych z wymazywaniem pamięci.

Jednak jeśli informacja jest zakodowana tylko w pozycji cząstki, to zamiana bitów oznacza, że ​​ich tożsamości zostają przemieszane i nie można odróżnić stanów „przed” od ich stanów „ po”. Ale jeśli mają przeciwne pędy, pozostają rozróżnialne, więc operacja powoduje prawdziwą i odwracalną zmianę.

Ray i Crutchfield opisali, jak ten pomysł można wdrożyć w realnym urządzeniu – w bitach kwantowych zwanych kubitami, używanych w większości dzisiejszych komputerów kwantowych. „Jesteśmy pasożytami żerującymi na społeczności speców w tej dziedzinie!” – oznajmia rozbawiony Crutchfield. Urządzenia te składają się z pętli materiału nadprzewodzącego, w których zainstalowane są tzw. złącza Josephsona (cienka warstwa materiału nie będącego nadprzewodnikiem umieszczona pomiędzy dwoma nadprzewodnikami).

W obwodach Josephsona informacja jest zwykle kodowana pod postacią kierunku prądu nadprzewodzącego, który można przełączać za pomocą promieniowania mikrofalowego. Ale ponieważ taki prąd przenosi pęd, można go również wykorzystać do obliczeń nowego rodzaju. Ray i Crutchfield przeprowadzili symulacje, które sugerują, że w pewnych warunkach obwody Josephsona mogą okazać się użyteczne w taki właśnie sposób. Po schłodzeniu do temperatury ciekłego helu umożliwią przeprowadzanie pojedynczej operacji zamiany bitów w czasie krótszym niż 15 nanosekund.

„Ale nasza propozycja wykracza poza ten konkretny kontekst” – mówi Crutchfield. Zasadniczo powinna sprawdzać się także w zwyczajnych (choć chłodzonych kriogenicznie) obwodach elektronicznych lub nawet w małych, starannie izolowanych urządzeniach mechanicznych, które mogą przenosić pęd w swoich ruchomych częściach.

Crutchfield wie o czym mówi. Pracując z Michaelem Roukesem i jego współpracownikami z California Institute of Technology, zmierzył kiedyś koszt wymazywania jednego bitu w urządzeniu wykorzystującym złącza Josephsona i wykazał, że jest on bliski granicy Landauera. W latach 80. Crutchfield i Roukes byli nawet konsultantami IBM, kiedy firma ta próbowała skonstruować odwracalny komputer tego typu. Projekt został ostatecznie porzucony z powodu zbyt wysokich w tamtych czasach wymagań konstrukcyjnych.

Obliczenia na zderzających się cząsteczkach – podejście drugie

Wykorzystanie prędkości cząstki do obliczeń nie jest całkowicie nowym pomysłem. Obliczenia oparte na pędzie są podobne do koncepcji obliczeń odwracalnych zwanej balistycznymi (ballistic computing), którą zaproponowano w latach 80.

Informacje były kodowane w obiektach lub cząsteczkach, które poruszały się swobodnie w obwodach pod wpływem własnej bezwładności, niosąc sygnał dający początek kolejnym operacjom logicznym. Jeśli cząsteczka oddziałuje sprężyście z innymi, nie traci żadnej energii. Raz puszczone w ruch bity balistyczne same zasilają obliczenia, nie wymagając dodatkowego wkładu energii. Obliczenia są odwracalne, o ile tylko bity odbijają się poruszając wzdłuż swoich trajektorii. Informacje są wymazywane, a energia rozpraszana tylko podczas odczytywania ich stanów.

W obliczeniach balistycznych prędkość cząstki po prostu przenosi ją przez urządzenie, umożliwiając przekazywanie informacji między wejściem a wyjściem. W tych opartych na pędzie jest – jak mówi Crutchfield – nieco inaczej. Prędkość i położenie cząstki łącznie pozwalają realizować unikalne i jednoznaczne sekwencje stanów. Ta ostatnia cecha jest kluczem do odwracalności, a tym samym małego rozpraszania energii, bo pozwala ujawnić, gdzie dokładnie znajdowała się każda cząstka. Naukowcy, w tym Frank, od dziesięcioleci pracują nad tym rozwiązaniem.

Obliczenia balistyczne są niestabilne, bo np. zderzenia cząstek mogą być chaotyczne, a zatem bardzo wrażliwe na najmniejsze losowe fluktuacje. Nie można ich wtedy odwrócić. Ale naukowcy poczynili postęp w tej dziedzinie. Kevin Osborn i Waltraut Wustmann, obaj z University of Maryland, zauważyli niedawno, że obwody Josephsona można wykorzystać do stworzenia odwracalnego balistycznego obwodu logicznego zwanego rejestrem przesuwającym, w którym wyjście jednej bramki logicznej staje się wejściem następne..

Nowe konwencjonalne komputery, nowe spojrzenie na przyrodę

„Obwody nadprzewodzące są dobrą platformą do testowania obliczeń odwracalnych” – mówi Osborn. Dodaje, że jego obwody Josephsona wydają się spełniać wymagania formułowane przez Raya i Crutchfielda i mogą być najlepszym kandydatem do przetestowania ich pomysłu. (…) Ale Frank ostrzega, że ​​wszystkim dotychczasowym podejściom do obliczeń balistycznych i obliczeń wykorzystujących pęd „nadal daleko do praktycznych technologii”.

Crutchfield jest bardziej optymistyczny. „To naprawdę zależy od tego, czy ludzie potrzymają tempo prac” – mówi. Uważa, że ​​małe obwody Josephsona rozpraszające minimalne ilości energii mogą powstać już za kilka lat, a całe mikroprocesory pojawia się już w tej dekadzie.

Przewiduje też, że powszechnie dostępne komputery wykorzystujące obliczenia oparte na pędzie osiągną 1000-krotny lub większy wzrost wydajności energetycznej w porównaniu z dziś używanymi. „Wyobraź sobie, że farma serwerów Google mieszcząca się w gigantycznym magazynie i zużywająca 1000 kilowatów do obliczeń i chłodzenia potrzebuje zaledwie jednego kilowata – co odpowiada kilku żarówkom starego typu” – mówi Crutchfield.

Ale korzyści płynące z nowego podejścia mogą być większe niż praktyczna redukcja kosztów energii. „Obliczenia wykorzystujące pęd doprowadzą do konceptualnej zmiany sposobu myślenia o przetwarzaniu informacji” – mówi. Dotyczy to też tego, jak informacja jest przetwarzana w systemach biologicznych.

Tekst ukazał się na sciam.com 29 marca 2022 r.
Oryginalny tytuł: Momentum Computing’ Pushes Technology’s Thermodynamic Limits.
Tytuł, lead, śródtytuły oraz skróty pochodzą od redakcji pulsara.

Reklama

Reklama

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną