Все новости от 12 мая 2005 г.

Проблемы обратимости

Ключевая и парадоксальная на первый взгляд проблема заключается в том, что создать обратимое логическое устройство не представляет никакого труда. Достаточно немного усложнить логический блок, добавив еще один выход, просто дублирующий вход, и тем самым сделать его обратимым, получив возможность определять входные значения по выходным⁵.

Однако подобный модуль не будет обратимым в том смысле, какой вкладывали в эту концепцию Ландауэр и Беннет. Так может быть получена лишь модель, имитация обратимого процесса — тут и ошибалось немало исследователей, путая предлагаемые ими модели обратимых процессов с реальной термодинамической обратимостью. Для построения обратимых вычислительных устройств нужны обратимые физические процессы, которые теоретически описаны хорошо, однако до практического их использования ещё далеко⁶. Например, не подходят для этого транзисторные элементы — энергия в них рассеивается и при выполнении логически обратимых операций.

Пока никем не доказано, что возможность создания зеттафлопсных компьютеров реализуема (или не реализуема) на практике. Теоретически — да, логические вычислители на базе обратимых процессов не противоречат современной физике (по крайней мере, на сегодняшнем уровне понимания), хотя физические модели соответствующих процессов далеки от завершения.

Трудной задачей остаётся проектирование полноценных обратимых логических схем, сопоставимых по сложности с современными процессорами. Оказалось, что логически обратимые блоки можно выстраивать строго определённым образом, при этом необходимо минимизировать число дополнительных регистров, поддерживающих обратимость, а также уметь выявлять неактивные части процессора для реализации многозадачности, повторно используя энергию сигнала — для всего этого пока не существует хороших проектных технологий.

Нелегко даже просто перевести производительность будущего обратимого устройства на общепринятые значения. Ведь в типовых тестах быстродействие определяется не по логическим операциям, а на вычислениях с плавающей запятой (флопсах). Одна же такая операция занимает от 20 до 100 тыс. простейших логических действий, многие из которых (например, сдвиг) необратимы.