可逆计算将在 2025 年逃离实验室

Michael Frank 的职业生涯一直是一名学术研究员，在计算机工程的一个非常特殊的领域工作了三十多年。根据 Frank 的说法，这个奇特的利基市场终于到了。“今年早些时候，我决定现在是尝试将这种东西商业化的合适时机，”Frank 说。2024 年 7 月，他辞去了桑迪亚国家实验室高级工程科学家的职位，加入了一家总部位于美国和英国的初创公司 Vaire Computing。

Frank 认为，现在是将他毕生的事业从学术界带入现实世界的合适时机，因为计算行业的能源正在耗尽。“我们越来越接近提高传统芯片能效的终点，”Frank 说。根据 Frank 帮助编辑的 IEEE 半导体行业路线图报告，到本十年后期，传统数字逻辑的基本能效将趋于稳定，“这将需要更多非常规的方法，就像我们正在追求的那样，”他说。

随着摩尔定律的跌跌撞撞，以及以能源为主题的表亲库米定律的放缓，可能需要一种新的范式来满足当今世界日益增长的计算需求。根据 Frank 在阿尔伯克基桑迪亚的研究，与传统方法相比，可逆计算可提供高达 4,000 倍的能源效率提升。

“摩尔定律有点崩溃了，或者说真的放慢了速度，”Zettaflops 的创始人 Erik DeBenedictis 说，他与 Vaire 无关。“可逆计算是重振摩尔定律或进一步提高能源效率的少数选项之一。”

Vaire 的第一个原型预计将于 2025 年第一季度制造，但目标不那么雄心勃勃——它正在生产一种芯片，该芯片首次回收了算术电路中使用的能量。下一款芯片预计将于 2027 年上市，将是专门用于 AI 推理的节能处理器。4,000 倍的能源效率改进在 Vaire 的路线图上，但可能需要 10 年或 15 年。

“我觉得这项技术很有前途，”田纳西大学诺克斯维尔分校电气工程和计算机科学副教授 Himanshu Thapliyal 说，他与 Vaire 无关。“但也存在一些挑战，希望 Vaire Computing 能够克服一些挑战。”

什么是可逆计算？

直觉上，信息似乎是一个短暂的抽象概念。但在 1961 年，IBM 的 Rolf Landauer 发现了一个令人惊讶的事实：擦除计算机中的一点信息必然会消耗能量，而能量会以热量的形式流失。Landauer 突然想到，如果你在不擦除任何信息的情况下进行计算，或者说是“可逆地”进行计算，那么至少在理论上，你可以在根本不使用任何能源的情况下进行计算。

兰道尔本人认为这个想法不切实际。如果要存储每个 Importing 和中间计算结果，则很快就会用不必要的数据填满内存。但 Landauer 的继任者 IBM 的 Charles Bennett 发现了这个问题的解决方法。不仅可以将中间结果存储在内存中，还可以在不再需要该结果时反转计算或“取消计算”。这样，只需要存储原始输入和最终结果。

举一个简单的例子，例如异 OR 或 XOR 门。通常，门是不可逆的 — 有两个 inputs，只有一个 output，知道 output 并不能为您提供有关输入内容的完整信息。可以通过添加额外的 output（原始 inputs之一的副本）来可逆地完成相同的计算。然后，使用这两个 outputs，可以在 decomputation 步骤中恢复原始 Importing。

本文引用地址：

传统的互斥 OR （XOR） 门是不可逆的 — 您不能仅通过知道输出来恢复输入。添加额外的 output，只是其中一个 inputs 的副本，使其可逆。然后，这两个输出可用于“反计算”XOR 门并恢复输入，以及计算中使用的能量。

这个想法在学术界越来越受欢迎，在 1990 年代，在麻省理工学院的 Thomas Knight 手下工作的几名学生开始了一系列可逆计算芯片的原理验证演示。其中一位学生是弗兰克。虽然这些演示表明可逆计算是可能的，但电光插头的功耗不一定会减少：尽管电力在电路本身内部恢复，但随后在外部电源中丢失。这就是 Vaire 着手解决的问题。

在 CMOS 中进行可逆计算

Landauer 限制给出了能源信息擦除成本的理论最小值，但没有最大值。今天的 CMOS 实现使用比理论上可能的 1000 倍以上的能量来擦除一个比特。这主要是因为晶体管需要保持高信号能量以确保可靠性，并且在正常运行下，所有这些都会以热量的形式消散。

为了避免这个问题，已经考虑了可逆电路的许多替代物理实现，包括超导计算机、分子机器，甚至活细胞。然而，为了使可逆计算切实可行，Vaire 的团队坚持使用传统的 CMOS 技术。“可逆计算已经足够具有颠覆性了，”Vaire 首席技术官兼联合创始人 Hannah Earley 说。“我们不想同时破坏其他一切。”

为了使 CMOS 与可逆性完美配合，研究人员必须想出聪明的方法来恢复和再循环这些信号能量。“目前还不清楚如何让 CMOS 可逆地运行，”Earley 说。

减少晶体管使用过程中产生不必要热量的主要方法（绝热运行）是缓慢增加控制电压，而不是突然升高或降低。Earley 认为，这可以在不增加额外计算时间的情况下完成，因为目前晶体管开关时间保持相对较慢，以避免产生过多的热量。因此，您可以保持开关时间不变，只需更改进行开关的波形，从而节省能源。然而，绝热开关确实需要一些东西来产生更复杂的斜坡波形。

从 0 到 1 翻转一点，将晶体管上的栅极电压从低电平变为高电平状态，仍然需要能量。诀窍是，只要你不将能量转化为热量，而是将大部分能量储存在晶体管本身中，你就可以在反计算步骤中回收大部分能量，在这个步骤中，任何不再需要的计算都会被逆转。Earley 解释说，回收该能量的方法是将整个电路嵌入谐振器中。

谐振器有点像一个摆动的钟摆。如果没有来自钟摆铰链或周围空气的摩擦，钟摆将永远摆动，每次摆动都会上升到相同的高度。在这里，钟摆的摆动是为电路供电的电压的上升和下降。在每次上升时，执行一个计算步骤。在每次下降时，都会执行一次反计算，以回收能量。

在每一个实际的实现中，每次摆动仍然会损失一定量的能量，因此钟摆需要一些动力来保持它继续前进。但 Vaire 的方法为最大限度地减少这种摩擦铺平了道路。将电路嵌入谐振器中，同时会产生绝热晶体管开关所需的更复杂的波形，并提供回收节省的能量的机制。

通往商业可行性的漫漫长路

尽管之前已经提出了将可逆逻辑嵌入谐振器的想法，但还没有人构建出将谐振器片上与计算内核集成的谐振器。Vaire 的团队正在努力开发这款芯片的第一个版本。最简单的谐振器，也是团队首先解决的谐振器，是电感电容 （LC） 谐振器，其中电容器的作用由整个电路扮演，片上电感器用于保持电压振荡。

Vaire 计划在 2025 年初送去制造的芯片将是嵌入 LC 谐振器中的可逆加法器。该团队还在开发一种芯片，该芯片将执行乘法累加运算，这是大多数机器学习应用中的基本计算。在接下来的几年里，Vaire 计划设计第一款专门用于 AI 推理的可逆芯片。

Frank 说：“我们的一些早期测试芯片可能是低端系统，尤其是功率受限的环境，但不久之后，我们也开始针对高端市场。

LC 谐振器是在 CMOS 中实现的最直接方法，但它们的品质因数相对较低，这意味着电压摆锤会以一些摩擦运行。Vaire 团队还致力于集成微机电系统 （MEMS） 谐振器版本，该版本更难集成到芯片上，但有望实现更高的质量因数（更少的摩擦）。Earley 预计基于 MEMS 的谐振器最终将提供 99.97% 的无摩擦运行。

在此过程中，该团队正在为可逆计算设计新的可逆逻辑门架构和电子设计自动化工具。“我认为，我们的大部分挑战将在于定制制造和异质集成，以便将高效的谐振器电路与逻辑结合在一个集成产品中，”Frank 说。

Earley 希望这些是公司能够克服的挑战。“原则上，这使 [我们] 在未来 10 到 15 年内能够将性能提高 4,000 倍，”她说。“真的，这将取决于你能得到多好的谐振器。”