可逆计算（170825）

闵应骅

最近在IEEE Spectrum 2017/9月号上看到“THROWING COMPUTING INTO REVERSE”By Michael P. Frank，很新奇，至少对我很新奇。请读者注意，这不是“透明计算”，而是“可逆计算”。我看到Michael P. Frank毕业于Stanford，在MIT拿的硕士、博士学位，在今年的IEEEComputer上发表了可逆计算的文章，现在又在IEEE Spectrum上发表文章。看样子这个想法靠谱。

计算机的发展几十年来可谓神奇，但现在碰到的最大的瓶颈是能量消耗，它所依靠的半导体产业的摩尔定律已经不灵了。这个我在以前的博文里说过多次。怎么突破这个瓶颈？现在，尤其是在中国，人们在吹人工智能、大数据等等，都是在计算机的功能上着手，软件上加点什么东西，在这上面创新。可逆计算不是，它是一个颠覆性的创新。它的思路是：从能量消耗的角度讲，一个逻辑电路，运行一次，接着运行下一次的时候，前一次运行所消耗的能量就浪费了，所以超级计算机的能耗才那么高。设想一下，如果电路里只有电感、电容，没有电阻，就不会有能量消耗。这就需要运行是可逆的，电感可以激励，也可以释放；电容可以充电，也可以放电。2003年Michael P.Frank在2003Nanotechnology Conference & Trade Show, Feb. 23-27, 2003, San Francisco, CA.一篇文章中列出了下图。

该图说明，传统的不可逆计算在2030年以后将达到一个热力学墙，每一美元能够进行的位运算次数无法再提高了，而对于可逆计算仍可提高1千至十万倍，那大概是2050年的事了。这里考虑了由于可逆在算法上、运算速度上需要付出的代价。可逆计算的基础是可逆逻辑门的设计和生产。这就牵涉到量子计算了，必须做到量子级，电路才能可逆。不要空谈量子计算，要从逻辑门做起。

可逆计算的想法与我们改进半导体设计与生产、改进算法、跟踪产业界流行的想法非常不同，但这个想法并不新。1961年IBM的物理学家Rolf Landauer 发表一篇文章,“Irreversibility and Heat Generationin the Computing Process.”认为不可逆计算是一种热力学行为。物理现象的可逆性对量子物理也成立。从量子物理的观点看，信息是不可能被毁灭的。计算机在每一拍把前一拍的信息檫去了，实际上前一拍的信息变成了热量。Landauer的结论是在室温下，檫去一位就驱散至少1.7%电子伏特。对今天的CMOS，情况更严重。斯坦福的研究表明每檫去一位至少损失500电子伏特的能量。解决此问题的办法是可逆化，即每一个初始状态产生唯一的后续状态，带有信息导向的任何能量不会转为热量，而可以为后续操作所用。可惜此后沉静了许多年，因为工程实现实在太难。直到1980年代，MIT重新重视这个问题，设计了可逆的逻辑门。此后，美国许多大学和公司、日本、俄罗斯、法国都研究各种实际途径实现可逆计算。在美国加州Palo Alto的分子制造学院的Ralph Merkle设计了可逆纳米分子机器，理论上说只要花今天计算技术千亿分之一的能量，而计算速度仍可达到纳秒级。他们设计的一种所谓“连接逻辑”，如下图所示。

图中两个深灰色可动条可以检测到几百个原子通过，其控制点是无摩擦的。它就像今天的晶体管一样，但可逆。问题是这种原子级精确装置的制造技术还需要研究。

现在，计算技术已经到了一个关键的历史性时刻，模拟或基于毛刺的神经计算如果不可逆，也将最后达到极限，即使是量子计算的突破也只能对特定计算提速，而不是通用计算。所以。可逆计算应该是解决当前计算危机的道路之一。我查了一下白度，在我们国内也有人在研究可逆计算，但是，好像不成气候，没有大佬的炒作。我觉得我们应该重视颠覆性的创新，而不是紧跟大公司的脚步做研究。