Tersinir hesaplama - Reversible computing

Döner işlem herhangi bir hesaplama modeli hesaplama işlemi bir dereceye kadar zaman-ters çevrilebilir . Kullanan bir hesaplama modelinde deterministik geçişler bir soyut makinenin bir durumdan tersinirliği için gerekli bir koşul olmasıdır ilişki bir eşleme haleflerine durumları olmalıdır bire-bir . Tersinir hesaplama, geleneksel olmayan bir hesaplama şeklidir .

Bağlı unitarity ait kuantum mekaniği , kuantum devreleri yeter ki değil "gibi, geri çevrilebilir çöküş " kuantum devletler onlar üzerinde işlem.

tersine çevrilebilirlik

Bu amaç için özellikle ilgi çekici olan, birbiriyle yakından ilişkili iki ana tersinirlik türü vardır: fiziksel tersinirlik ve mantıksal tersinirlik .

Fiziksel entropide hiçbir artışa neden olmazsa , bir sürecin fiziksel olarak tersine çevrilebilir olduğu söylenir ; öyle izantropik . Yük kurtarma mantığı , adyabatik devreler veya adyabatik hesaplama olarak adlandırılan bu özelliği ideal olarak sergileyen bir devre tasarımı stili vardır (bkz. Adyabatik süreç ). Her ne kadar pratikte hiçbir durağan olmayan fiziksel süreç olabilir tam olarak fiziksel geri dönüşümlü veya izantropik yeterince iyi bilinmeyen dış ortamlara sahip etkileşimlerden izole edilmiştir sistemlerde biz mükemmel bir tersinirlik yaklaşabilir hangi ile yakınlık, fizik kanunlarının bilinen hiçbir sınır yoktur sistemin evrimini açıklayan kesin olarak bilinmektedir.

Geri dönüşümlü işlem uygulanmasını amaçlayan teknolojilerin çalışma için bir motivasyon onlar geliştirmek için sadece potansiyel yolu olduğu tahmin ne teklif olmasıdır hesaplamalı enerji verimliliğini temel ötesinde bilgisayarların von Neumann-Landauer sınırı arasında kT ln (2) enerji başına dağıldı geri döndürülemez bit işlemi . Landauer sınırı 2000'lerde bilgisayarların enerji tüketiminin milyonlarca katı ve 2010'larda binlerce kez daha az olmasına rağmen, tersine çevrilebilir hesaplamanın savunucuları bunun büyük ölçüde Landauer'in sınırının pratikteki etkisini etkili bir şekilde artıran mimari genel giderlere atfedilebileceğini savunuyorlar. devre tasarımları, bu nedenle, tersine çevrilebilir hesaplama ilkeleri kullanılmazsa, pratik teknolojinin mevcut enerji verimliliği seviyelerinin çok ötesine geçmesi zor olabilir.

termodinamik ile İlişkisi

İlk olarak IBM'de çalışırken Rolf Landauer tarafından tartışıldığı gibi, bir hesaplama sürecinin fiziksel olarak tersine çevrilebilmesi için mantıksal olarak da tersine çevrilebilir olması gerekir . Landauer'in ilkesi , termodinamik entropide n bitlik bilinen bilginin unutulmadan silinmesinin her zaman nkT ln(2) maliyetine yol açması gerektiğine dair kesin olarak geçerli gözlemdir . Ayrık, deterministik bir hesaplama sürecinin mantıksal olarak tersine çevrilebilir olduğu söylenir, eğer eski hesaplama durumlarını yenilerine eşleyen geçiş fonksiyonu bire bir fonksiyon ise ; yani çıktı mantıksal durumları, hesaplama işleminin girdi mantıksal durumlarını benzersiz bir şekilde belirler.

Deterministik olmayan (olasılıklı veya rastgele olma anlamında) hesaplama süreçleri için, eski ve yeni durumlar arasındaki ilişki tek değerli bir fonksiyon değildir ve fiziksel tersinirliği elde etmek için gereken gereksinim biraz daha zayıf bir koşul haline gelir, yani boyut Olası ilk hesaplama durumlarının belirli bir topluluğunun toplamı, hesaplama ilerledikçe ortalama olarak azalmaz.

Fiziksel tersinirlik

Landauer ilkesi (ve aslında, termodinamiğin ikinci yasasının kendisi) , genel Hamilton mekaniği formülasyonunda ve üniter zaman-evrim operatöründe yansıtıldığı gibi, fiziğin altında yatan tersinirliğin doğrudan mantıksal bir sonucu olarak da anlaşılabilir . daha spesifik olarak kuantum mekaniği .

Bu nedenle, tersine çevrilebilir hesaplamanın uygulanması, her bir mantıksal işlem başına, mekanizmanın tam fiziksel durumu ile ilgili ihmal edilebilir bir toplam belirsizlik miktarı biriktirebilmemiz için, istenen hesaplama işlemlerini gerçekleştirmek için mekanizmaların fiziksel dinamiklerini nasıl karakterize edip kontrol edeceğimizi öğrenmek anlamına gelir. bu gerçekleştirilir. Başka bir deyişle, makine içinde hesaplama işlemlerini gerçekleştirmeye dahil olan aktif enerjinin durumunu tam olarak izlememiz ve makineyi, bu enerjinin çoğunluğunun organize bir biçimde geri kazanılabileceği şekilde tasarlamamız gerekir. ısı şeklinde dağılmasına izin verilmek yerine sonraki işlemler için yeniden kullanılabilir.

Bu amaca ulaşmak, hesaplama için ultra hassas yeni fiziksel mekanizmaların tasarımı, üretimi ve karakterizasyonu için önemli bir zorluk teşkil etse de , şu anda bu hedefe ulaşılamayacağını düşünmek için hiçbir temel neden yoktur, bu da bir gün bilgisayarları inşa etmemize izin verir. dahili olarak yürüttükleri her yararlı mantıksal işlem için 1 bit değerinden çok daha az fiziksel entropi üretirler (ve ısıtmak için 2 enerjide kT'den çok daha azını harcarlar).

Bugün, alanın arkasında önemli bir akademik literatür var. Çok çeşitli tersine çevrilebilir cihaz konseptleri, mantık kapıları , elektronik devreler , işlemci mimarileri, programlama dilleri ve uygulama algoritmaları fizikçiler , elektrik mühendisleri ve bilgisayar bilimcileri tarafından tasarlanmış ve analiz edilmiştir .

Bu araştırma alanı, yüksek kaliteli, uygun maliyetli, neredeyse tersine çevrilebilir, yüksek enerji verimliliğine sahip saat ve senkronizasyon mekanizmalarını içeren veya asenkron tasarım yoluyla bunlara olan ihtiyacı ortadan kaldıran bir mantık cihazı teknolojisinin ayrıntılı olarak geliştirilmesini beklemektedir . Bu tür bir katı mühendislik ilerlemesine, tersine çevrilebilir hesaplama üzerine geniş teorik araştırmalar, gerçek bilgisayar teknolojisinin, von Neumann-Landauer sınırı da dahil olmak üzere, enerji verimliliğine yönelik çeşitli kısa vadeli engelleri aşmasını sağlamada pratik uygulama bulabilmesi için ihtiyaç duyulacaktır. Bu , termodinamiğin ikinci yasası nedeniyle yalnızca mantıksal olarak tersine çevrilebilir hesaplamanın kullanılmasıyla önlenebilir .

mantıksal tersinirlik

Tersinir hesaplamayı uygulamak, maliyetini tahmin etmek ve sınırlarını yargılamak için kapı-seviye devreleri olarak resmileştirilebilir. Bu tür devrelerin basitleştirilmiş bir modeli, içinde girdilerin tüketildiği bir modeldir (ancak, örneğin CMOS'ta uygulandığı gibi gerçek mantık kapılarının bunu yapmadığını unutmayın). Bu modelleme çerçevesinde, bir evirici (DEĞİL) kapısı tersine çevrilebilir çünkü geri alınabilir . Özel veya onun iki giriş anlaşılır şekilde tek bir çıkış yeniden yapılabilir çünkü (XOR) kapı geri döndürülemez. Bununla birlikte, XOR kapısının tersine çevrilebilir bir versiyonu - kontrollü NOT kapısı (CNOT) - girişlerden biri korunarak tanımlanabilir. CNOT kapısının üç girişli çeşidine Toffoli kapısı denir . Bu girişlerinden iki muhafaza , a, b ve üçüncü yerine c ile . ile bu VE işlevini verir ve bununla DEĞİL işlevini verir. Bu nedenle, Toffoli geçidi evrenseldir ve herhangi bir tersine çevrilebilir Boole işlevini uygulayabilir (yeterli sıfır başlatılmış yardımcı bitler verildiğinde). Daha genel olarak, girdilerini tüketen tersinir kapılar, çıktılardan daha fazla girdiye sahip değildir. Tersinir bir devre, tersinir kapıları, çıkışlar ve döngüler olmadan birbirine bağlar . Bu nedenle, bu tür devreler, her biri tüm bir devreden geçen eşit sayıda giriş ve çıkış kablosu içerir. Benzer şekilde, Turing makinesi hesaplama modelinde, tersine çevrilebilir bir Turing makinesi, geçiş işlevi tersine çevrilebilir, böylece her makine durumunun en fazla bir öncülü olur.

Yves Lecerf 1963 tarihli bir makalesinde tersine çevrilebilir bir Turing makinesi önerdi, ancak görünüşe göre Landauer'in ilkesinden habersizdi, konuyu daha fazla takip etmedi ve kariyerinin geri kalanının çoğunu etnodilbilime adadı. 1973'te IBM Research'ten Charles H. Bennett , evrensel bir Turing makinesinin hem mantıksal hem de termodinamik olarak tersinir yapılabileceğini ve bu nedenle, yeterince çalıştırılırsa, dağıtılan fiziksel enerji birimi başına keyfi olarak çok sayıda hesaplama adımı gerçekleştirebileceğini gösterdi. yavaş yavaş. Termodinamik olarak tersine çevrilebilir bilgisayarlar, mantıksal adım başına kT'den önemli ölçüde daha az enerji harcarken , faydalı hesaplamaları faydalı hızda gerçekleştirebilir . 1982'de Edward Fredkin ve Tommaso Toffoli , sıfır yayılımla sonlu hızda geri dönüşümlü hesaplamalar yapmak için klasik sert küreler kullanan, ancak topların yörüngelerinin mükemmel bir başlangıç ​​hizalamasını gerektiren bir mekanizma olan Bilardo topu bilgisayarını önerdi ve Bennett'in incelemesi bu "Brownian" ve Tersinir hesaplama için "balistik" paradigmalar. Enerji verimli hesaplamanın motivasyonunun yanı sıra, tersine çevrilebilir mantık kapıları , kriptografi ve bilgisayar grafiklerinde bit işleme dönüşümlerinde pratik iyileştirmeler sundu . 1980'lerden beri, tersinir devreler, kuantum algoritmalarının bileşenleri olarak ve daha yakın zamanlarda, bazı anahtarlama cihazlarının sinyal kazancı sağlamadığı fotonik ve nano-bilgi işlem teknolojilerinde ilgi gördü .

Tersinir devrelerin araştırmaları, bunların yapımı ve optimizasyonu ve ayrıca son araştırma zorlukları mevcuttur.

Ayrıca bakınız

Referanslar

daha fazla okuma

Dış bağlantılar