Драгон, воинствующий дилетант (i_ddragon) wrote in i_future,
Драгон, воинствующий дилетант
i_ddragon
i_future

  • Location:
  • Mood:
  • Music:

Зеттафлопсовый компьютер и обратимые вычисления

Производительность самых мощных современных суперкомпьютеров уже превышает 1 Петафлопс (10^15 операций в секунду с плавающей запятой), например, IBM Roadrunner. Однако, это вовсе не предел. Производительность вычислительной техники продолжает расти, увеличиваясь приблизительно в 1000 раз за 10 лет. Если закон Мура будет продолжать дейстовать в ближайшие 30 лет, то к 2030-му году будет достигнута производительность в несколько зеттафлопс - порядка 10^24 операций в секунду. Построение такого компьютера является не просто погоней за большой вычислительной мощностью. Такие мощности необходимы для моделирования многих сложных физических, химических и биологических процессов. Моделирование процессов в литосфере, приводящих к землетрясению, требует вычислительной мощности порядка нескольких экзафлопс (1 экзафлопс = 10^21 операций в секунду), иначе расчёт будет закончен после того, как произойдёт землетрясение. Для моделирования работы человеческого мозга на уровне нейронов требуется вычислительная мощность от 100 петафлопс до 1 экзафлопс. Моделирование погоды и других сложных процессов требует ещё большего количества ресурсов. Понятно, что такие вещи, как качественная виртуальная реальность, также не возможны без больших вычислительных мощностей.
Количественные изменения — рост вычислительной мощности — неизбежно приводят к качественным. Проблемой на пути создания компьютеров с вычислительной мощностью больше зеттафлопса встаёт проблема энергии. Рольф Ландауер, исследователь из IBM, ещё в1961-м году показал, что даже если устранить все посторонние причины выделения энергии в счётном устройстве — трение, электрическое сопротивление и пр. - то тепло все равно будет выделяться. Причиной является то, что при стирании любого бита информации происходит выделение тепла. Это связано с увеличением энтропии системы. Его рассуждения сводились к следующему. Бит стирается — значит, теряется информация о предыдущем состоянии системы. А раз теряется информация — значит, возрастает энтропия. А раз возрастает энтропия — то, значит, и должна возрастать температура системы. К стиранию относится не только собственно удаление информации, но и любая перезапись — так как при перезаписи предыдущее содержимое памяти исчезает.
Дело в том, что в классической фон-Неймановской модели компьютера стирание информации является обычным делом, и происходит огромное количество раз. Это является одной из причин нагревания процессоров и других вычислительных устройств. Если же повышать производительность компьютеров, то удаление битов будет происходить чаще и больше. Так, процессор с производительностью 100 петафлопс будет выделять около мегаватта тепла, а зеттафлопсовый компьютер — приблизительно 10 гигаваnт, что сравнимо с энергопотреблением некоторых западных стран. Если же пытаться решить проблему путём открытия новых сверхмощных источников энергии, то появится ограничение в виде теоретического предела отвода тепла от устройства.
Другим решением проблемы является концепция так называемых обратимых вычислений, впервые сформулированная Чарльзом Беннетом в 1973 году, которого на работу в IBM пригласил сам Ландауэр. Смысл её состоит в следующем. Раз стирание битов приводит к выделению тепла, значит, при работе компьютера биты удаляться не должны.

Иначе говоря, требуется чтоб по результату вычисления можно было однозначно восстановить исходные данные. Так, при операции NOT удаление информации не происходит — зная результат, всегда можно узнать исходные данные. Однако, при многих других операциях происходит удаление исходной информации — например, операция логическое И. Если мы на выходе получаем значение 0, то на двух входах могли быть значения 0 и 1, 1 и 0, или 0 и 0. Легко заметить, что многие сложные операции необратимы. Например, зная что сумма двух чисел равна 10, мы не можем однозначно найти оба слагаемых — они могли быть и 5 и 5, и 3 и 7, и любая другая пара чисел, в сумме дающая 10. Поэтому, когда производятся подобные вычисления — информация будет неизбежно теряться, и непременно будет выделяться какое-то количество тепла.

На рисунке мы видим, что обычный вентиль обязательно уничтожает часть подаваемой на него информации.
Однако, использование обычных — обратимых вентилей — необязательно в вычислительных системах. Так, если добавить на выход вентиля дополнительные — так называемые мусорные выходы, то информация уничтожаться не будет. Так как зная значение на обычном и мусорных выходах, мы всегда сможем узнать, что было подано на входы вентиля.

Изображённые на рисунке обратимые вентили — вентиль Фредкина и обратимый вентиль «И» - могут послужить базой для создания схем, вычисляющих любую функцию. Если все мусорные биты будут сохранены к концу вычисления, то вычисление может быть проведено без выделения энергии.
По ходу работы такого компьютера помимо полезной информации также образуется много мусорных битов. На самом деле эти биты не такие уж мусорные. Чтоб использовать компьютер ещё раз, нужно вернуть его к исходному состоянию. Если просто удалить из компьютера результаты вычислений, то произойдёт то самое выделение тепла, которого хотелось бы избежать. Однако, если используя мусорные биты, запустить вычисления в обратном направлении, то компьютер так же без выделения тепла вернётся в исходное состояние.
На первый взгляд, создать обратимое устройство не составляет никакого труда. Достаточно просто немного усложнить обычный логический блок. Однако, все кремниевые логические элементы строятся из нескольких транзисторов или других устройств, в процессе работы которых также происходит уничтожение информации, а значит, и непременно будет выделяться тепло. Поэтому, для создания обратимых вычислителей требуется новая технология.
Эта технология может быть основана на молекулярных или квантовых процессах — например, процессах, схожих с происходящими при синтезе молекулы белка в живом организме. Для запуска такого компьютера может быть использовано обычное броуновское движение молекул. При этом химическая реакция, которая также есть не что иное, как разновидность вычислений, будет с одинаковой скоростью идти как в прямую, так и в обратную сторону. Добавление катализатора реакции в одну сторону будет равносильно выполнению целевых вычислений, а добавление катализатора реакции в обратную сторону — откатом к начальному состоянию. При этом рассеивание энергии будет минимальным и незначительным по сравнению с обратимыми вычислениями.
Tags: компьютеры
Subscribe
Buy for 100 tokens
Buy promo for minimal price.
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 24 comments