Обратимые вычисления — как странная концепция теории информации превращается в энергосберегающий чип
Что такое обратимые вычисления?
Интуитивно информация может казаться эфемерным, абстрактным понятием. Но в 1961 году Рольф Ландауэр из IBM обнаружил удивительный факт: стирание информации в компьютере обязательно требует энергии, которая теряется в виде тепла. Ландауэру пришло в голову, что если бы вычисления выполнялись без стирания информации, то есть «обратимо», то, по крайней мере теоретически, вычисления можно было бы выполнять вообще без использования энергии.
Сам Ландауэр считал эту идею непрактичной Если бы вы хранили все входные данные и промежуточные результаты вычислений, вы бы быстро заполнили память ненужными данными. Но преемник Ландауэра, Чарльз Беннетт из IBM, обнаружил обходной путь для решения этой проблемы. Вместо того чтобы просто сохранять промежуточные результаты в памяти, вы могли бы обратить вычисление вспять, или “декомпилировать”, как только этот результат больше не понадобится. Таким образом, необходимо сохранить только исходные входные данные и конечный результат.
Возьмем простой пример, такой как элемент исключающего ИЛИ или XOR. Обычно вентиль необратим — есть два входа и только один выход, и знание выходных данных не дает вам полной информации о том, какими были входные данные. То же самое вычисление может быть выполнено обратимо путем добавления дополнительного вывода, копии одного из исходных входных данных. Затем, используя два выхода, исходные входные данные могут быть восстановлены на этапе декомпутации.
Традиционный логический элемент «исключающее ИЛИ» (XOR) не является обратимым — вы не сможете восстановить входные данные, зная только выходные. Добавление дополнительного выхода, представляющего собой копию одного из входных данных, делает его обратимым. Затем два выходных сигнала можно использовать для «обратного вычисления» логического элемента XOR и восстановления входных данных, а вместе с ними и энергии, затраченной на вычисления.
Эта идея продолжала набирать популярность в академических кругах, и в 1990-х годах несколько студентов, работавших под руководством Томаса Найта из Массачусетского технологического института, приступили к серии принципиальных демонстраций обратимых вычислительных чипов. Одним из этих студентов был Фрэнк. Хотя эти демонстрации показали, что обратимые вычисления возможны, энергопотребление от сети не обязательно снижалось: хотя энергия восстанавливалась внутри самой схемы, впоследствии она терялась во внешнем источнике питания. Именно эту проблему и решил решить Вэр.
Обратимые вычисления в CMOS
Предел Ландауэра дает теоретический минимум того, сколько энергии стоит стирание информации, но максимума нет. Современные реализации CMOS потребляют более чем в тысячу раз больше энергии для стирания фрагмента, чем это теоретически возможно. В основном это связано с тем, что для надежности транзисторам необходимо поддерживать высокую энергию сигнала, а при нормальной работе все это рассеивается в виде тепла.
Чтобы избежать этой проблемы, было рассмотрено множество альтернативных физических реализаций обратимых схем, включая сверхпроводящие компьютеры, молекулярные машины и даже живые клетки. Однако, чтобы сделать обратимые вычисления практичными, команда Вейра придерживается традиционных методов CMOS. “Обратимые вычисления и так достаточно разрушительны”, — говорит главный технический директор Vaire и соучредитель Ханна Эрли. “Мы не хотим разрушать все остальное одновременно”.
Чтобы КМОП хорошо сочетался с обратимостью, исследователям пришлось придумать хитроумные способы восстановления и рециркуляции энергии этого сигнала. “Не сразу понятно, как заставить CMOS работать обратимо”, — говорит Эрли.
Основной способ уменьшить ненужное тепловыделение при использовании транзисторов- обеспечить их адиабатическую работу — заключается в медленном увеличении управляющего напряжения вместо резких скачков вверх или вниз. Эрли утверждает, что это можно сделать без увеличения времени вычислений, поскольку в настоящее время время время переключения транзисторов поддерживается сравнительно низким, чтобы избежать выделения слишком большого количества тепла. Таким образом, вы могли бы сохранить время переключения на прежнем уровне и просто изменить форму сигнала, при которой происходит переключение, экономя энергию. Однако для адиабатического переключения требуется что-то для генерации более сложных скачкообразных сигналов.
По-прежнему требуется энергия, чтобы немного переключить значение с 0 на 1, изменяя напряжение затвора на транзисторе из низкого состояния в высокое. Хитрость заключается в том, что до тех пор, пока вы не преобразуете энергию в тепло, а сохраняете большую ее часть в самом транзисторе, вы можете восстановить большую часть этой энергии на этапе декомпутации, где любые больше не нужные вычисления отменяются. Эрли объясняет, что восстановить эту энергию можно, встроив всю схему в резонатор.
Резонатор похож на качающийся маятник. Если бы не было трения от шарнира маятника или окружающего воздуха, маятник качался бы вечно, поднимаясь на одну и ту же высоту с каждым качанием. Здесь колебание маятника представляет собой повышение и понижение напряжения, питающего цепь. При каждом повышении выполняется один вычислительный шаг. При каждом падении выполняется декомпутация, восстанавливающая энергию.
В каждой реальной реализации при каждом колебании все равно теряется некоторое количество энергии, поэтому маятнику требуется некоторая мощность для поддержания его движения. Но подход Вейра прокладывает путь к минимизации этого трения. Встраивание схемы в резонатор одновременно создает более сложные формы сигналов, необходимые для адиабатического переключения транзисторов, и обеспечивает механизм восстановления сэкономленной энергии.
Долгий путь к коммерческой реализации
Хотя идея встраивания обратимой логики в резонатор была разработана ранее, никто ещё не создал резонатор на чипе, интегрированный с вычислительным ядром. Команда Vaire усердно работает над первой версией этого чипа. Самый простой в реализации резонатор, над которым команда работает в первую очередь, — это индуктивно-ёмкостный (LC) резонатор, где роль конденсатора играет вся схема, а встроенная в чип катушка индуктивности поддерживает колебания напряжения.
Чип, который Vaire планирует отправить для изготовления в начале 2025 года, будет представлять собой обратимый сумматор, встроенный в ЖК-резонатор. Команда также работает над чипом, который будет выполнять операцию умножения-накопления, базовое вычисление в большинстве приложений для машинного обучения. В последующие годы Vaire планирует разработать первый обратимый чип, специализированный для искусственного интеллекта.
«Некоторые из наших первых тестовых чипов могут быть предназначены для систем начального уровня, особенно для сред с ограниченным энергопотреблением, но вскоре после этого мы начали работать и на более высоких рынках», — говорит Фрэнк.
LC-резонаторы — самый простой способ реализации в КМОП-технологии, но у них сравнительно низкий коэффициент качества, а это значит, что маятник напряжения будет работать с некоторым трением. Команда Vaire также работает над интеграцией резонатора на основе микроэлектромеханических систем (MEMS), который гораздо сложнее интегрировать в микросхему, но обещает гораздо более высокий коэффициент качества (меньшее трение). Эрли ожидает, что резонатор на основе MEMS в конечном итоге обеспечит работу без трения на 99,97%.
Попутно команда разрабатывает новые архитектуры обратимых логических элементов и инструменты электронной автоматизации проектирования для обратимых вычислений. “Я думаю, большинство наших задач будет заключаться в изготовлении на заказ и гетероинтеграции, чтобы объединить эффективные схемы резонатора вместе с логикой в одном интегрированном продукте”, — говорит Фрэнк.
Эрли надеется, что компания преодолеет эти трудности. «В принципе, это позволит [нам] в течение следующих 10–15 лет добиться 4000-кратного улучшения производительности, — говорит она. — На самом деле всё будет зависеть от того, насколько хорошим получится резонатор».
Сообщение Обратимые вычисления — как странная концепция теории информации превращается в энергосберегающий чип появились сначала на Время электроники.