或許你從未想過，現(xiàn)有計(jì)算機(jī)的運(yùn)行方式對能源的揮霍，幾乎相當(dāng)于用一天就“砸掉”一臺筆記本電腦。
早在上世紀(jì)70年代，人們就發(fā)現(xiàn)，當(dāng)計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算或刪除數(shù)據(jù)時(shí)，不可避免會產(chǎn)生大量廢熱。長久以來，我們一直習(xí)慣于計(jì)算機(jī)這種極度耗能的工作方式，并未重視和認(rèn)真思考如何去改變。然而，隨著人工智能的興起，計(jì)算機(jī)不斷增長的巨額能耗將給人類帶來能源危機(jī)。
慶幸的是，我們已經(jīng)有了一個(gè)應(yīng)對辦法，但它涉及一個(gè)聽起來不太可能的路徑——讓處理器把每一步運(yùn)算操作都做兩次，正向，然后逆向。這就是可逆計(jì)算機(jī)。
傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)之痛，廢熱耗能遠(yuǎn)超運(yùn)算
提高能效需要遵循熱力學(xué)原理，早在50年前人們就知道這一點(diǎn)，但囿于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的運(yùn)行方式及其迅速迭代，提高能效的想法一直未能實(shí)現(xiàn)。
如今，AI消耗的能源大部分來自化石燃料，其碳足跡增長迅速，已占到全球溫室氣體排放的2%，比整個(gè)航空業(yè)的排放量還要多。荷蘭埃因霍溫科技大學(xué)的阿伊達(dá)·托德瑞·薩尼爾認(rèn)為，AI高耗能的主要原因是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的能量使用方式極為低效——計(jì)算機(jī)需要不斷刪除數(shù)據(jù)，盡管每次操作所需能量看似微不足道，但這種運(yùn)行方式使計(jì)算機(jī)時(shí)刻處在逆轉(zhuǎn)無序狀態(tài)，以達(dá)到熱力學(xué)系統(tǒng)的平衡態(tài)。
熱力學(xué)定律是處理能量、熱量和熵的基本原理。為了提高效率，計(jì)算機(jī)擦除信息應(yīng)是一個(gè)不可逆的過程，但這只在被擦除信息不用被恢復(fù)時(shí)才有意義。嚴(yán)格來說，這是違背熱力學(xué)定律的。根據(jù)熱力學(xué)定律，刪除的信息不會消失，而是去了別的地方。因此當(dāng)一小段數(shù)據(jù)被刪除后，雖然該數(shù)據(jù)不會被恢復(fù)，但也不會被徹底消除。
運(yùn)行中的計(jì)算機(jī)是一臺產(chǎn)熱量極高的機(jī)器，因?yàn)樗枰粩鄤h除信息。就硬件層面來說，每個(gè)程序都由一系列基于電子信號的運(yùn)算構(gòu)成，即一串串微小的電子流。計(jì)算機(jī)最基本的操作是邏輯門，比如執(zhí)行“與門”（AND門）操作時(shí)，芯片接收輸入信號A和B，輸出A、B之和A+B，而當(dāng)A+B被饋入下一個(gè)邏輯門時(shí)，A和B即被刪除。所有的邏輯門都以這種方式刪除信息，這些操作所消耗的能量會以熱能形式流失。
事實(shí)上，計(jì)算機(jī)在廢熱上的耗能比運(yùn)算要多得多。1961年，IBM公司的羅爾夫·蘭道爾確定了一臺計(jì)算機(jī)刪除一比特?cái)?shù)據(jù)所耗費(fèi)的能量下限，即所謂的“蘭道爾極限”。盡管今天的高級計(jì)算機(jī)每刪除一段數(shù)據(jù)只耗費(fèi)幾毫瓦的電，還不到一個(gè)燈泡用電的幾千分之一，但計(jì)算機(jī)浪費(fèi)的能量可以兆瓦計(jì)，相當(dāng)于點(diǎn)亮數(shù)百萬支燈泡的用電量。
如今，隨著可逆計(jì)算理念的興起，計(jì)算機(jī)領(lǐng)域即將發(fā)生重大變革，這將改變計(jì)算機(jī)內(nèi)在的傳統(tǒng)高能耗運(yùn)行方式。
可逆計(jì)算機(jī)優(yōu)勢，兩次運(yùn)算巧妙節(jié)能
研究人員提出了一種避免計(jì)算機(jī)運(yùn)行高能耗的方法，即創(chuàng)建一種新型計(jì)算機(jī)。不同于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，它的所有運(yùn)行過程都是可逆的。
熱力學(xué)定律規(guī)定，任何有效的不可逆過程都會伴隨著熵的增加，但可逆過程可使熵保持不變，因此浪費(fèi)的能量很少。如果可逆計(jì)算機(jī)最終能夠成功運(yùn)行AI程序，那么計(jì)算機(jī)的能耗將可大幅降低。
然而，要造出可逆計(jì)算機(jī)，需要顛覆現(xiàn)有計(jì)算理念，并從根本上革新芯片，程序員也要接受一種完全違背直覺的全新程序設(shè)計(jì)理念。再以“與門”為例，輸入A和B——在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)里，輸出A+B后，A和B就會被刪除；在可逆計(jì)算機(jī)里，它們將會存儲在某種記憶模塊里，以避免耗費(fèi)能量去刪除它們。
蘭道爾擔(dān)心，任何規(guī)避這一能耗的努力最終將導(dǎo)致內(nèi)存不足。但研究人員找到一種解決方法：要求每步計(jì)算都執(zhí)行兩次，首先是正向運(yùn)行，然后再逆向。這是因?yàn)�，一旦反向運(yùn)行相同操作，正向操作中使用的任何額外內(nèi)存都會被釋放。
表面看來，重復(fù)運(yùn)行兩次意味著計(jì)算機(jī)的能耗會翻倍，但事實(shí)并非如此。因?yàn)闊o論是發(fā)出指令還是數(shù)據(jù)運(yùn)算，都不涉及數(shù)據(jù)信息的刪除，因此逆行操作不會產(chǎn)生任何明顯可覺察的能耗。
可逆計(jì)算機(jī)就以這種方式巧妙利用了熱力學(xué)原理。計(jì)算機(jī)進(jìn)行的任何操作都含有移動(dòng)電子這一物理學(xué)過程，而可逆計(jì)算機(jī)移動(dòng)電子的速度要比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)慢。也就是說，如果將可逆計(jì)算機(jī)看作是一個(gè)物理學(xué)系統(tǒng)，由于來回移動(dòng)的電子較少，它就不會因?yàn)樾枰謴?fù)熱力學(xué)的基本平衡態(tài)而耗費(fèi)大量能量。
芯片最早后年上市，關(guān)鍵在于軟硬件配合
其實(shí)，早在1973年，IBM的查爾斯·班尼特就已證明，制造可執(zhí)行傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)所有功能的可逆計(jì)算機(jī)，在理論上是可行的。可為何我們會一直囿于這種低能效的不可逆計(jì)算機(jī)呢？答案很簡單：傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)迭代速度太快，這使可逆計(jì)算機(jī)很難與其競爭。
“我們不知道可逆計(jì)算機(jī)節(jié)能的極限在哪里，但在理論上，哪怕節(jié)省上千倍都是有可能的。”英國Vaire公司30多年前就開始了可逆計(jì)算機(jī)研發(fā)，公司首席技術(shù)官兼聯(lián)合創(chuàng)始人漢娜·厄利認(rèn)為，如今隨著AI帶來的能源新挑戰(zhàn)，以及傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的迭代放緩，可逆計(jì)算機(jī)將迎來首個(gè)商業(yè)化機(jī)遇。
據(jù)Vaire公司預(yù)計(jì)，可逆計(jì)算機(jī)芯片最早2027年可投入市場。不過，要具備真正競爭力，它不僅需要芯片，還得有計(jì)算機(jī)編程語言的轉(zhuǎn)型配合。
加拿大麥克馬斯特大學(xué)的雅克·卡雷特認(rèn)為，這種邏輯上完全可逆的計(jì)算機(jī)語言，對于傳統(tǒng)軟件開發(fā)人員來說是“極不相容的”，從無到有創(chuàng)建一種全新的計(jì)算機(jī)語言將是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。
Vaire團(tuán)隊(duì)的想法是，盡可能避開這一難題，對傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)編程語言進(jìn)行改良。他們正在開發(fā)一種無需開發(fā)全新計(jì)算機(jī)語言的界面，那樣計(jì)算機(jī)編程人員也無需重新學(xué)習(xí)。
在硬件方面，研究人員一直在改進(jìn)一種名為“諧振器”的部件。在芯片內(nèi)部，電子在改進(jìn)后的諧振器內(nèi)的流動(dòng)速度要比在傳統(tǒng)諧振器內(nèi)慢得多。電子流動(dòng)產(chǎn)生電信號，速度變慢可讓計(jì)算機(jī)不再“覺察”到電子移動(dòng)，計(jì)算機(jī)也就不用為恢復(fù)熱力學(xué)上的平衡態(tài)而散熱，從而避免能源浪費(fèi)——這對計(jì)算機(jī)逆向運(yùn)行的成功非常關(guān)鍵。
厄利稱，Vaire公司已為去年開發(fā)的一種諧振器申請了專利，它可讓公司開發(fā)的芯片更具實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
未來計(jì)算空間廣闊，新型芯片將迎井噴
“嘗試開發(fā)新技術(shù)來解決計(jì)算機(jī)能耗問題，是個(gè)了不起的想法，但問題是需要多久才能投入市場，因?yàn)橛?jì)算機(jī)造成的能源危機(jī)已迫在眉睫。”英國牛津大學(xué)的戴維·米頓指出，改進(jìn)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)軟硬件的工作已在加緊進(jìn)行中。
除了投入可逆計(jì)算機(jī)芯片開發(fā)的Vaire公司，不少初創(chuàng)公司還在開發(fā)其他類型的計(jì)算機(jī)芯片。例如，美國初創(chuàng)公司Normal公司的芯片也利用了熱力學(xué)原理，不過其運(yùn)行方式并非可逆，而是利用芯片溫度自然發(fā)生的波動(dòng)現(xiàn)象來運(yùn)行計(jì)算機(jī)。由于計(jì)算機(jī)可在無需消耗能量的情況下自然回歸熱力學(xué)平衡態(tài)，這款芯片擁有很好的節(jié)能前景。
Normal公司的加文·克魯克斯稱，這種芯片非常適合AI，如產(chǎn)生文本和圖像。項(xiàng)目開展不到一年，該公司已生產(chǎn)出首批芯片，現(xiàn)正在開發(fā)更先進(jìn)的硬件系統(tǒng)，并開始創(chuàng)建軟件系統(tǒng)。
克魯克斯認(rèn)為，AI能源危機(jī)已將非傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的發(fā)展推到了聚光燈下，未來發(fā)展空間巨大，“五年之內(nèi)，可能會迎來適合多種需求的芯片開發(fā)理念大爆發(fā)”。
據(jù)預(yù)測，各種專用芯片的井噴時(shí)刻即將到來——它們之間并非競爭關(guān)系，而是共生共存，每一種新型芯片都將找到各自獨(dú)特的生態(tài)位。不過，這一切將是一條漫長而艱難的負(fù)重之路，不會一蹴而就。
