La fantastica promessa dell'informatica reversibile

Il mondo dell'informatica è in transizione. Man mano che i chip diventano più piccoli e più veloci, dissipano più calore, che è energia che viene interamente sprecata.

Secondo alcune stime, la differenza tra la quantità di energia richiesta per eseguire un calcolo e la quantità effettivamente utilizzata dai computer di oggi è di circa otto ordini di grandezza. Chiaramente, ci sono margini di miglioramento.

Quindi la ricerca è iniziata per trovare forme di calcolo più efficienti e le opzioni non mancano.

Uno dei corridori esterni nella corsa per conquistare il mondo della logica è l'informatica reversibile. Con ciò, gli informatici intendono il calcolo che avviene in fasi reversibili nel tempo.

Quindi, se una porta logica cambia un ingresso X in un'uscita Y, allora c'è un'operazione inversa che inverte questo passo. Fondamentalmente, queste devono essere mappature uno a uno, il che significa che un dato input produce un singolo output univoco.

Questi requisiti per la reversibilità pongono rigidi vincoli sui tipi di sistemi fisici che possono svolgere questo tipo di lavoro, per non parlare della loro progettazione e fabbricazione. I normali chip per computer non sono idonei: le loro porte logiche non sono reversibili e soffrono anche di un altro problema.

Quando le porte logiche convenzionali producono più uscite, alcune di queste non vengono utilizzate e l'energia necessaria per generarle viene semplicemente persa. Questi sono noti come stati spazzatura. La riduzione al minimo delle uscite spazzatura è uno degli obiettivi principali nella progettazione e sintesi della logica reversibile, affermano Himanshu Thapliyal e Nagarajan Ranganathan presso l'Università della Florida meridionale.

Oggi propongono un nuovo modo di rilevare gli errori nei calcoli e affermano che il loro metodo è idealmente applicabile al calcolo reversibile e, inoltre, riduce naturalmente il numero di stati spazzatura che un calcolo produce.

Prima di esaminare il loro approccio, esaminiamo rapidamente un metodo convenzionale di rilevamento degli errori. Ciò implica semplicemente eseguire il calcolo due volte e confrontare i risultati. Se sono uguali, il calcolo è considerato privo di errori.

Questo metodo ha un'ovvia limitazione se il calcolo originale e la sua duplicazione fanno lo stesso errore.

Thapliyal e Ranganathan hanno un approccio diverso che aggira questo problema. Se un calcolo reversibile produce una serie di output, il calcolo inverso su questi output dovrebbe riprodurre gli stati originali.

Quindi la loro idea è di eseguire il calcolo inverso sugli stati di output e se questo riproduce gli stati originali, il calcolo è privo di errori. E poiché questo si basa su passaggi logici reversibili, riduce naturalmente al minimo la quantità di stati spazzatura prodotti nel mezzo.

Ci sono uno o due avvertimenti, ovviamente. La prima è che nessuno è riuscito a costruire una porta logica adeguatamente reversibile, quindi questo lavoro è del tutto teorico.

Ma ci sono una serie di schemi di calcolo che hanno il potenziale per funzionare in questo modo. Thapliyal e Ranganathan indicano in particolare la tecnologia emergente degli automi cellulari quantistici e mostrano come potrebbe essere applicato il loro approccio.

La bellezza di questo approccio è che ha il potenziale per essere privo di dissipazione. Quindi non solo utilizzerebbe molta meno energia rispetto ai computer convenzionali, ma non dovrebbe perdere energia. Almeno in teoria.

A prima vista, ciò sembra contraddire uno dei fondamenti dell'informatica: il principio di Rolf Landauer secondo cui la cancellazione di un po' di informazione dissipa sempre una piccola quantità di energia sotto forma di calore. Questa è la ragione fondamentale per cui i chip convenzionali diventano così caldi.

Ma questo principio non deve essere applicato all'elaborazione reversibile perché se nessun bit viene cancellato, non viene dissipata energia. In effetti, non esiste un limite noto all'efficienza del calcolo reversibile. Se è possibile trovare un processo fisico perfettamente reversibile per trasportare ed elaborare i bit, allora il calcolo potrebbe diventare privo di dissipazione.

Per il momento, questo è un sogno selvaggio. Ma nei prossimi anni, man mano che i processi quantistici inizieranno a svolgere un ruolo più importante nell'elaborazione di tutti i tipi, potremmo sentire molto di più sull'informatica reversibile e sul suo potenziale di ridurre drasticamente l'energia sprecata nell'informatica.

Rif: arxiv.org/abs/1101.4222 : Metodologia di rilevamento degli errori simultanei basata su logica reversibile per nanocircuiti emergenti

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