第 44 节 可逆计算(第1页)

可逆计算(Reverse Computing,RC)的历史始于 IBM 的物理学家鲁尔夫·兰道尔(Rolf Landauer)在 1961 年发表的一篇题为《计算过程中的不可逆性和热量产生》的论文。在这篇论文中,兰道尔认为传统计算操作的逻辑不可逆性直接影响了正在执行这些操作的器件的热力学行为。

最基本的物理学定律是可逆的。物理的可逆性意味着我们永远无法真正消除计算机中的信息。每当我们用新值覆盖某些信息时,先前的信息可能出于实际目的而丢失,但实际上并没有真正被破坏。相反,它已被推入机器的热环境中,在该环境中,它变成熵(本质上是随机信息)并表现为热量。

当今的计算机一直都在抹除信息,以致传统设计中的每个有源逻辑门在每个时钟周期都会破坏性地覆盖其先前的输出,从而浪费了相关能量。从本质上讲,一台传统的计算机是一台昂贵的电加热器,它会执行少量的计算,但计算只是一个副产品。

根据兰道尔的证明,在室温下,抹去每一个比特必须耗散至少 0.017 eV 的能量。虽然看上去这非常少,但是计算机中发生的所有操作加在一起,就是一个很大的数字。如今的 CMOS 技术消耗的能量实际上比兰道尔计算的要大得多,它擦除每一个比特消耗的能量在 5000 eV 左右。标准 CMOS 设计可以在这方面作些改进,但每擦除一次,仍有不低于 500 eV 的能量损失。

在兰道尔之后,很多研究人员对这个课题进行了大量研究,目的是研发出一种可逆计算机,但是因为难度太大都没有取得明显成果。直到 20 世纪 80 年代初,爱德华·弗雷德金(Edward Fredkin)和他的同事托马索·托佛利(Tommaso Toffoli)在麻省理工学院的信息力学研究小组中进行了首次有效的可逆计算物理机制的尝试。他们提出,原则上可逆操作可以通过理想化的电子电路来实现,该电路使用电感器在电容器之间来回运送电荷。由于没有电阻抑制能量流,因此这些电路理论上是无损耗的。这种理想化的系统虽然无法在实践中构建,但是这些研究推动了现在称为弗雷德金门和托佛利门的两个抽象计算元件的发展,它们成为可逆计算中许多后续理论工作的基础。这些门可以对 3 个输入位进行运算,将它们转换为 3 个输出位的唯一最终配置,从而可以执行任何计算。

传统计算芯片是由门电路等基本电路构建的,如 A
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