Mike Frank讲可逆计算

||谈话

迈克·弗兰克肖像迈克尔·弗兰克1991年获得斯坦福大学(Stanford University)的符号系统科学学士学位,1994年和1金宝博官方999年分别获得麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)的电子工程和计算机科学科学硕士和哲学博士学位。在斯坦福大学期间,他帮助他的团队赢得了由计算机协会主办的1990-91年国际大学生编程比赛的世界冠军。在他的学生生涯中,他曾在IBM的T.J.沃森研究中心、NASA的艾姆斯研究中心、NEC研究所金宝博娱乐、斯坦福研究所和斯坦福的语言和信息研究中心实习研究。大一结束后的那个暑假,他还在微软做软件工程实习生。1998-1999年期间,迈克休学了一年,在一个朋友的网络初创公司(Stockmaster.com)工作。

毕业后,他于1999年至2004年佛罗里达大学的计算机和信息科学和工程系中担任一名保管助理教授,并在佛罗里达州A&M University的电气和计算机工程系 - 佛罗里达州立大学学院2004 - 2007年工程。在2007 - 2008年开始犯下企业的违法行为后,他在佛罗里达州A&M物理系和Famu-FSU工程学院的各种短期研究和教学职位上返回了学术界。金宝博娱乐他的目前的标题是工程师员工,他大部分时间都在监督多学科高级工程项目。多年来,弗兰克的研究兴趣博士跨越了许多不同的领域,包括决金宝博娱乐策人工智能,DNA计算,可逆和量子计算,市场的计算,安全选举系统和数字现金。金宝博官方

卢克·穆罕沃斯:一些长期计算预测包括纳米级计算的可能性,但在该规模上的有效计算似乎需要由于所需的可逆计算蓝道限制。您能解释一下可逆计算是什么,为什么它似乎是高效计算,超出一定程度的小型化?


迈克弗兰克:可逆计算是指使用机器数字状态的逻辑变换(可逆)变换的计算,也使用(几乎)热力学可逆的物理机制进行的转换,即产生不且忽视少量的机制物理熵。热力学可逆性需要逻辑可逆性,因为如果您对逻辑状态的多对一转换进行了多对一的转换,则需要对其余的详细物理状态或换句话说,熵产生相应的一对多转换。

可逆计算以小规模变得重要,因为位能量变得越来越小,并且接近点(约1个电子电压),在那里它们将无法更小,而不会在由于热噪声引起的严重可靠性问题。但是,当您以不可逆的方式操纵位时,这基本上涉及消散整个位能量以在每次操作上浪费热量。在过去的计算机能源效率的改进主要被比特能量的减少所驱动,所以如果比特能量停止减少,这是一个大问题 - 传统不可逆转技术的能效将降低并停止改善。注意此观察仅取决于热噪声的非常基本的热力学考虑因素,因此它不会受到您可能上来的巧妙替代纳米级设备的细节的影响。您的设备技术可以基于超导体,碳纳米管,纳米级,量子干扰晶体管,我不在乎。只要它是可靠的,不可逆转的设备,它将至少在1个电子伏(约40)的顺序上消散(约40kT)每比分机在室温上的共享,完全停止,故事结束。

通过可逆计算,情况明显不同。虽然它仍然是真的,可靠的设备中的位能量被迫在10年代升温kTS,如果设备是可逆的,那么我们就不再需要在每次操作中消耗整个位能量。这是关键的区别。原则上,对于使用越来越高质量的可逆转换来执行的位操作,每个操作所消耗的能量是可以实现的任意小的;小于kT,甚至比kTLn 2或0。69kT,也就是蓝道限制从根本上说,能量耗散与创造一个比特的熵有关。这至少是理论上的预测。但要真正实现实际的,高质量的,高性能的,成本效益的可逆计算低于朗道极限,我想说,这是我们这个时代最困难,最核心的工程挑战之一。这并不是说不可能;事实上,从基础物理学的角度来看,从来没有任何有效的证据表明这是不可能的,相反,从迄今为止所做的研究来看,有许多迹象表明,这可能最终会实现。金宝博娱乐但考虑到目前的工程技术水平,这当然不是一件容易做到的事情。未来的计算机技术,实现高质量、高效的可逆计算需要一定的设备工程的精确的和复杂的,它将使今天的顶级设备技术似乎原油相比,未来的眼睛,石碑看起来对我们今天进行雕刻。


卢基你写道:“从来没有任何有效的证据从基础物理[可逆计算是不可能的],相反,有许多迹象表明,这可能最终实现。”

有哪些迹象表明可逆计算最终可能实现?


迈克:是的,好的问题。首先,不仅存在模拟,而且还有实验室示范,实际上,就像理论上的预测一样,绝热切换1例如,一个电容器上的电压确实可以消耗尽可能少的能量,因为过渡进行得更慢。然而,这类例子通常会调用外部谐振器来驱动转换,所以这不能算作一个完整的,独立的系统,直到这些谐振器的设计得到进一步充实;金宝博官方但是高质量谐振器的设计本身就是一个相当困难的工程问题。

与此同时,我们已经了解了至少经历的其他自包含的系统,这些系统至少具有可忽略的耗散,例如,考虑,例如,小,隔离金宝博官方金刚石晶体或者其他在真空中,在零重力条件下旋转或振动的固体纳米结构。原则上,即使在完全隔离的情况下,这样的结构也会发射出(极其微弱的)重力波,因此最终会进入一种静止状态(没有可检测到的振动,没有自旋,除非围绕着具有完美轴对称的轴)。但是,对于一个小的、刚性的物体来说,这种重力沉降过程可能需要数十亿个周期(至少!),而对于一个纳米级的物体来说,每个周期可以转化为远低于kT的能量消耗。

一个相关的概念是时间晶体;这些最近被提出为可以在理论上通过一组可区分状态的量子系统的假设示例,即使在完全放松到它们的量子地位时也是如此。金宝博官方时间晶体本身是一种相当争议的概念。然而,即使是真正的(即,完美)的时间水晶结果是不可能的,也是一种像旋转固体物体一样的系统,需要很长时间才能沉降到静止状态是一个现实的。金宝博官方

这个思想实验的问题在于,一个简单的周期运动,比如旋转或振动的晶体,在计算上是没有意义的。出于计算的目的,我们希望机器能够通过它们的配置空间,穿越一个非常复杂形状的轨迹,而不仅仅是一个短周期。任何一台有用的计算机的配置空间都有大量的维度,但现在假设它只有三个维度。现在想象一个抛光的球,或粒子(代表机器的当前状态),沿着一个镂空的通道,穿过一块固体材料;通道表示由计算机制的结构(即设备物理)施加的约束。在这个类比中,一个复杂的可逆计算对应于球沿着一条长长的、弯曲的路径穿过材料,沿着弹道平稳地滑行。

物理系统可以以这样的方式设计,金宝博官方使得球粒子(机器状态)可以通过许多曲折和转动(计算许多步骤)而不失去其初始动态(动力学)能量的大部分我觉得这是可逆计算的科学尚未明确地回答的根本问题,以某种方式。

一个良好的起点是通过配置空间展示沿着长而复杂的确定性(非分叉)轨迹沿着长而复杂的确定性(非分叉)轨迹的任何物理系统 -金宝博官方 从不介意它计算的功能。人们总是可以说,它只是计算自己的下一个状态。目前尚不清楚为什么这种行为应该是不可能的 - 即使是日常的娱乐公园滚子 - 过山车也表示甚至宏观物体甚至可以通过某种复杂的确定性轨迹,至少一段时间可以覆盖。在纳米级,即使是不确定性原则也只会限制您的确定性,当您到达最终状态时,不一定是关于您遵循的轨迹的形状。

那么,我们可以推动这个“过山车”的弹道计算的想法吗?也许很远。但是,直到我们进一步开发了一种科学和工程学科,可以实现这样的“滚子 - 过山车”的越来越有效的实例,并且其中这种构造设计用于在简单的3D空间中横穿轨迹,但是相反,在复杂的复合物的多维配置空间中,由许多交互子系统组成,那么那么在计算方面可能正在做一些有趣的东西,我们将不确定确保高效的可逆计算真的可以。金宝博官方

我个人期待它是 - 如果只是为了缺乏任何声音证明,它不是(尽管许多人试图统治它已经制作出来) - 但是,为了真正肉体彻底如何创造如何工程,这些系统远远多金宝博官方difficult, I now believe, than many of the field’s early enthusiasts may have anticipated.

我认为,我们真正需要的是某些关键的理论突破,比如,对于起步者来说,一个完整的理论(但也是可实现的,也就是说,不是过度理想化的)模型,一个包含许多相互作用的部件的自包含量子系统,它以这样一种方式(即,金宝博官方在构型空间中沿着复杂确定性轨迹)。

我推测,也许需要某种量子看门狗效果的某种动态版本,以便将各种交互组件彼此连续地保持同步,而它们同时也沿着受限制的配置空间中的复杂轨迹向前滑行。这shape of the subsystems’ mutual interactions, to carry out interesting computations. But, I don’t know for sure if this “dynamical quantum watchdog” approach can be made to work.

总的来说,展示如何完全实现可逆计算是一个非常棘手的理论问题,我认为这需要量子物理学中一些最重要的头脑的认真关注才能最终解决。如果我有研究支持,我可能会金宝博娱乐回学校,钻研我的量子理论,并尝试自己解决它。但不幸的是,根据我的经验,这个领域的基础研究资金非金宝博娱乐常缺乏,现在,我有一个家庭要养活。


卢基:为什么您认为可逆计算迄今为止无法吸引大量研究资金和研究人员?金宝博娱乐


迈克这是个好问题。部分原因,我认为,是有很多错误的信息和误解已经在这个领域流传了一段时间。例如,有一种学术谣言或“都市传说”流传着,声称约翰·冯·诺依曼,计算机体系结构和量子理论的著名先驱,已经在某种程度上证明了信息处理用不到kT每二进制“决定”的2次耗散是不可能的。但是,这种传说背后没有真正的物质;我们实际上的所有来自von neumann这就是他在任何分析中未备份的讲座中制作的简要评论。他从未发表任何关于这一主题的同伴审查的期刊文章,可能是因为他意识到这是一个错误,从未实际证明过它。可能他隐含地假设决策暗示熵的创建,因为未知结果(决定的决定)被一个已知的结果取代,这意味着在其他地方的熵创作,以满足第2条热力学定律。但当然,决策过程可以是确定性的,因为大多数计算是;如果通过输入预先确定结果,则在决策过程中需要没有更改熵。而且,即使您想要决策过程的结果是随机的,那么只需要将一些从环境移动到计算机中的熵,而不是生成任何新熵。My feeling is that von Neumann simply hadn’t thought all this through carefully enough when he first made that remark, and that, if he had ever been exposed to the concept of reversible computing during his lifetime, he would have immediately said, “Oh, of course.”

反对可逆计算的第二个谣言或都市传说是,它会违反由信息和通信数学理论的先驱Claude Shannon证明的中心定理,即在给定的带宽和可靠性下,通信所需的最小功率。然而,我个人仔细地搜索了香农全部作品集的每一页,在他出版的作品中,绝对没有他的作品地址权力耗散一次也没有!绝对所有他的作品只涉及权力传输但是,他的定理没有任何地方证明,一个信号所包含的能量,以后不能通过适当的机制来恢复。在可逆计算机制的设计中,我们明确地展示了包含在任何给定的物理编码位的模式中的能量是如何被恢复的,例如,通过使用最初创建那个位串的完全相同的可逆过程的时间反转。再说一遍,如果香农还活着,我肯定他会看到可逆计算的原理然后说:“是的,这当然可行。”

因此,对可逆计算存在偏见,这是基于广泛的误解或误解这些受尊重的先驱的工作。堆叠在这一部之上,最近有尝试证明可逆计算不可能,但所有所谓的“证据”在推理或无效的假设中都包含谬误,这些假设被认为是不正确的 - 我有一个列表about 15 of these erroneous arguments, and the results showing that they’re clearly wrong, in我的一个谈话。但是,每当这些持怀疑争论中的一个持怀疑争论中的缺陷都指出了一个明确地使用一个明确的反例,讨论其核心异议,怀疑论者只是继续推出反恐计算的新的和不同(但仍有缺陷)的论点。一些怀疑论者可能是由于不失去面孔的愿望和承认他们在以前的论点中被误解了。我认为可能是,许多这些可逆计算怀疑论者的唯一方法是如果已经商业上成功的可逆电脑盯着脸部 - 那么他们将不再能够否认它。仅仅是理论模型将永远不会满足硬核心的怀疑论者 - 也许就像应该一样。毕竟,在我们能够使用它开始建造实用机器之前,世界上的所有理论都是没用的。并且是公平的,仍然需要面临的挑战,以便使可逆计算实用性很大。但是,普遍存在的态度确实使得获得研究资金非常困难。金宝博娱乐如果没有实质性的资金 - 或顶级研究人员,有空闲时间和倾向于确定剩余的基础问题 - 这些问题永金宝博娱乐远不会解决,并且可逆计算永远不会变得不仅仅是一种模糊的学术好奇心。但是,如果需要足够的注意解决关键剩余问题,可逆计算有可能成为21世纪计算机工程基础。当然,如果没有它,我们无法在大多数计算应用程序的电力性能方面取得更多的进展。


卢基:您可以谈论迄今为止可逆计算的历史吗?在Randauer限制的初步示范之后,概念进展的关键是什么?它们是如何相互建立的,或者物理或计算中的其他结果?


迈克我将总结一些主要的历史发展;但请记住,任何短暂的历史都注定是不完整的。在朗道尔的分析之后,可逆计算领域的第一个重大理论发展是他的门徒查理·班尼特的1973年最终表明不可逆操作并不是严格要求计算的,也就是说,任何计算都可以通过仅使用机器逻辑状态的可逆变换来进行。在最坏的情况下,您可能需要不可逆地初始化,只需要一次,无论您希望永久保留计算的最终输出的新存储空间是什么——但是,所有的中间计算都可以在临时空间中可逆地执行,这些临时空间可以被其他计算重用。基本的技术基本上包括临时存储所有的中间数据,否则就会被丢弃,所以这有点占用空间,但后来,1989年,Bennett表明该技术的更节省空间的变化是可能的。最后,它甚至在1997年显示(通过Lange等人。)可以在线性空间(与不可逆机器相同)的可逆计算,尽管该方法不是时效。可能是普遍可逆计算所需的情况一些空间或时间复杂度的开销量;的确,我和阿默严格地证明了这一点这在某个有限的技术背景下是正确的。但是,可逆算法的开销理论上可以通过它们的能效益效益来淹没,以提高大规模计算的整体成本性能。

在实际实现方面,一些早期的概念性工作是由麻省理工学院的Fredkin和Toffoli在一个1978年提案建议使用电感器和电容器在电路中的设备之间穿梭能量,以实现(近)折散方式的逻辑。在80年代中期,Charles Seitz和CALTECH的同事想出了一种改进的技术,其中电感器可以在逻辑元素之间共享并带来芯片,但它们没有回答可以使用其技术实现是否可以实现任何任意逻辑功能的问题。在20世纪90年代初,Koller和Athas.开发出一般的绝热逻辑系列,但它只能处理组合(不是顺序)逻辑。最后,1993年MIT的Younis和Knight开发了他们的通用,绝热,顺序分裂级别电荷回收逻辑 - 虽然仍然包含一个限制我们发现的能效的小错误,但我们发现和在90年代后期修复,在我的论文工作中。我还发明了另一个,更简单(和无窃听的)普遍的绝热逻辑家庭,佛罗里达大学曾在佛罗里达大学致电2000年2。当然,到那时,许多其他研究群体也在追求绝热逻辑,因此我不会试图向与此同时所金宝博娱乐做的领域的所有贡献信任所有贡献。但是,我会说我看到在CMOS中实现绝热逻辑的大多数公布技术(即使用标准晶体管)包含一种或另一种不必要地限制其能效的概念漏洞。我还没有看到任何其他基于CMOS的方法,但它与2LAL一样有效。在UF的详细仿真中,我们发现了3.序贯2LAL电路可以每循环每个晶体管的每个晶体管的1个电子电压散发,只有通过我们模拟的特定器件系列中的漏电流限制。如果使用具有降低的泄漏的其他设备系列,则可以降低该图。

人们还提出了不可逆转计算的替代实施,而不是完全使用晶体管;例如,有克雷格队在巴黎圣母院的工作量子点细胞自动机,并且有几个组在超导电路中的可金宝博娱乐逆逻辑上完成的研究4。但是,这些替代方法也呈现了自己的挑战;我说尚不清楚他们是否将成为CMOS的可行的继任者;但至少他们正在尝试,并关注这些问题!虽然,所做的绝大多数纳米计算提案,即全部忽略可逆计算的所有纳米汇价提案,都是根本注定要失败,因为它们永远无法获得超出范围的许多数量级CMOS在其能源效率方面 - 由于它们都忽略了从要求保持高可靠性的不可逆转设备的能效的基本限制,尽管热噪声。如果您想开发一个具有成功的希望的新逻辑技术,可以在具有能力性能的意义上,这可能会占据许多数量级(而不是最佳,只有1或2)超出CMOS的极限, then designing your devices around reversible computing principles is not optional – it’s an absolute necessity! Unfortunately, in my experience, there are far too few device physicists who seem to understand this basic fact.


卢基:如果研究人员金宝博娱乐想要进展到可逆计算,您会在哪里开始寻找?你认为最有前景的研究途径是什么?金宝博娱乐


迈克:好吧,正如我之前提到的那样,我认为仍然需要基本理论的一些基本突破。我们仍缺乏一个综合理论模型,证明了一种通过许多交互子系统组成的现实量子机械系统,可以通过通过配置空间沿着复杂的受约束的确定性轨迹来沿着具有可忽略的熵增加的复杂受约束的确定性轨迹。金宝博官方可逆计算比全吹量计算有些更容易,因为我们不必保持纠缠状态的精细量子叠加。相反,我们可以大概只依赖于自然稳定(A.K.A.“古典”)状态或“指针状态”。但是,准确地建模微观物理系统的动态行为仍然需要深入了解量子力学;金宝博官方这种理解是特别需要设计纳米级装置,其可能是有效可逆计算系统的有效组件。金宝博官方If I were starting over in my career, I would begin by giving myself a comprehensive, top-of-the-line, world-class education in quantum mechanics, and then I’d re-develop the fundamental principles of reversible computing technology bottom-up, building on that foundation–with an emphasis on creating self-contained, energy-efficient, ballistic reversible computational mechanisms that are as simple as possible to design and manufacture. It is a big challenge, but I think that someone will show us the way eventually.


卢基:谢谢,迈克!


  1. 参见第19页斯奈德等人(2013)
  2. 见幻灯片#89-93的弗兰克(2006)
  3. 见幻灯片#27弗兰克(2006 b)
  4. 看到Plourde (2012);任(2012);Semenov (2012;Ustinov(2012)