[智能应用]算两次竟比一次节能？可逆计算机颠覆现有芯片，破局AI能耗 [3P] [复制链接]

或许你从未想过，现有计算机的运行方式对能源的挥霍，几乎相当于用一天就“砸掉”一台笔记本电脑。
早在上世纪70年代，人们就发现，当计算机进行运算或删除数据时，不可避免会产生大量废热。长久以来，我们一直习惯于计算机这种极度耗能的工作方式，并未重视和认真思考如何去改变。然而，随着人工智能的兴起，计算机不断增长的巨额能耗将给人类带来能源危机。
庆幸的是，我们已经有了一个应对办法，但它涉及一个听起来不太可能的路径——让处理器把每一步运算操作都做两次，正向，然后逆向。这就是可逆计算机。
传统计算机之痛，废热耗能远超运算
提高能效需要遵循热力学原理，早在50年前人们就知道这一点，但囿于传统计算机的运行方式及其迅速迭代，提高能效的想法一直未能实现。
如今，AI消耗的能源大部分来自化石燃料，其碳足迹增长迅速，已占到全球温室气体排放的2%，比整个航空业的排放量还要多。荷兰埃因霍温科技大学的阿伊达·托德瑞·萨尼尔认为，AI高耗能的主要原因是传统计算机的能量使用方式极为低效——计算机需要不断删除数据，尽管每次操作所需能量看似微不足道，但这种运行方式使计算机时刻处在逆转无序状态，以达到热力学系统的平衡态。
AI作图
热力学定律是处理能量、热量和熵的基本原理。为了提高效率，计算机擦除信息应是一个不可逆的过程，但这只在被擦除信息不用被恢复时才有意义。严格来说，这是违背热力学定律的。根据热力学定律，删除的信息不会消失，而是去了别的地方。因此当一小段数据被删除后，虽然该数据不会被恢复，但也不会被彻底消除。
运行中的计算机是一台产热量极高的机器，因为它需要不断删除信息。就硬件层面来说，每个程序都由一系列基于电子信号的运算构成，即一串串微小的电子流。计算机最基本的操作是逻辑门，比如执行“与门”（AND门）操作时，芯片接收输入信号A和B，输出A、B之和A+B，而当A+B被馈入下一个逻辑门时，A和B即被删除。所有的逻辑门都以这种方式删除信息，这些操作所消耗的能量会以热能形式流失。
事实上，计算机在废热上的耗能比运算要多得多。1961年，IBM公司的罗尔夫·兰道尔确定了一台计算机删除一比特数据所耗费的能量下限，即所谓的“兰道尔极限”。尽管今天的高级计算机每删除一段数据只耗费几毫瓦的电，还不到一个灯泡用电的几千分之一，但计算机浪费的能量可以兆瓦计，相当于点亮数百万支灯泡的用电量。
如今，随着可逆计算理念的兴起，计算机领域即将发生重大变革，这将改变计算机内在的传统高能耗运行方式。
可逆计算机优势，两次运算巧妙节能
研究人员提出了一种避免计算机运行高能耗的方法，即创建一种新型计算机。不同于传统计算机，它的所有运行过程都是可逆的。
热力学定律规定，任何有效的不可逆过程都会伴随着熵的增加，但可逆过程可使熵保持不变，因此浪费的能量很少。如果可逆计算机最终能够成功运行AI程序，那么计算机的能耗将可大幅降低。
然而，要造出可逆计算机，需要颠覆现有计算理念，并从根本上革新芯片，程序员也要接受一种完全违背直觉的全新程序设计理念。再以“与门”为例，输入A和B——在传统计算机里，输出A+B后，A和B就会被删除；在可逆计算机里，它们将会存储在某种记忆模块里，以避免耗费能量去删除它们。
兰道尔担心，任何规避这一能耗的努力最终将导致内存不足。但研究人员找到一种解决方法：要求每步计算都执行两次，首先是正向运行，然后再逆向。这是因为，一旦反向运行相同操作，正向操作中使用的任何额外内存都会被释放。
表面看来，重复运行两次意味着计算机的能耗会翻倍，但事实并非如此。因为无论是发出指令还是数据运算，都不涉及数据信息的删除，因此逆行操作不会产生任何明显可觉察的能耗。
可逆计算机就以这种方式巧妙利用了热力学原理。计算机进行的任何操作都含有移动电子这一物理学过程，而可逆计算机移动电子的速度要比传统计算机慢。也就是说，如果将可逆计算机看作是一个物理学系统，由于来回移动的电子较少，它就不会因为需要恢复热力学的基本平衡态而耗费大量能量。
芯片最早后年上市，关键在于软硬件配合
其实，早在1973年，IBM的查尔斯·班尼特就已证明，制造可执行传统计算机所有功能的可逆计算机，在理论上是可行的。可为何我们会一直囿于这种低能效的不可逆计算机呢？答案很简单：传统计算机迭代速度太快，这使可逆计算机很难与其竞争。
“我们不知道可逆计算机节能的极限在哪里，但在理论上，哪怕节省上千倍都是有可能的。”英国Vaire公司30多年前就开始了可逆计算机研发，公司首席技术官兼联合创始人汉娜·厄利认为，如今随着AI带来的能源新挑战，以及传统计算机的迭代放缓，可逆计算机将迎来首个商业化机遇。
据Vaire公司预计，可逆计算机芯片最早2027年可投入市场。不过，要具备真正竞争力，它不仅需要芯片，还得有计算机编程语言的转型配合。
加拿大麦克马斯特大学的雅克·卡雷特认为，这种逻辑上完全可逆的计算机语言，对于传统软件开发人员来说是“极不相容的”，从无到有创建一种全新的计算机语言将是一个巨大挑战。
Vaire团队的想法是，尽可能避开这一难题，对传统计算机编程语言进行改良。他们正在开发一种无需开发全新计算机语言的界面，那样计算机编程人员也无需重新学习。
在硬件方面，研究人员一直在改进一种名为“谐振器”的部件。在芯片内部，电子在改进后的谐振器内的流动速度要比在传统谐振器内慢得多。电子流动产生电信号，速度变慢可让计算机不再“觉察”到电子移动，计算机也就不用为恢复热力学上的平衡态而散热，从而避免能源浪费——这对计算机逆向运行的成功非常关键。
厄利称，Vaire公司已为去年开发的一种谐振器申请了专利，它可让公司开发的芯片更具实际应用价值。
未来计算空间广阔，新型芯片将迎井喷
“尝试开发新技术来解决计算机能耗问题，是个了不起的想法，但问题是需要多久才能投入市场，因为计算机造成的能源危机已迫在眉睫。”英国牛津大学的戴维·米顿指出，改进传统计算机软硬件的工作已在加紧进行中。
除了投入可逆计算机芯片开发的Vaire公司，不少初创公司还在开发其他类型的计算机芯片。例如，美国初创公司Normal公司的芯片也利用了热力学原理，不过其运行方式并非可逆，而是利用芯片温度自然发生的波动现象来运行计算机。由于计算机可在无需消耗能量的情况下自然回归热力学平衡态，这款芯片拥有很好的节能前景。
Normal公司的加文·克鲁克斯称，这种芯片非常适合AI，如产生文本和图像。项目开展不到一年，该公司已生产出首批芯片，现正在开发更先进的硬件系统，并开始创建软件系统。
克鲁克斯认为，AI能源危机已将非传统计算机的发展推到了聚光灯下，未来发展空间巨大，“五年之内，可能会迎来适合多种需求的芯片开发理念大爆发”。
据预测，各种专用芯片的井喷时刻即将到来——它们之间并非竞争关系，而是共生共存，每一种新型芯片都将找到各自独特的生态位。不过，这一切将是一条漫长而艰难的负重之路，不会一蹴而就。

算两次竟比一次节能？可逆计算机颠覆现有芯片，破局AI能耗
传统计算机能耗问题
早在上世纪70年代，人们就发现传统计算机在进行运算或删除数据时，不可避免会产生大量废热。长久以来，我们习惯了这种极度耗能的工作方式，未认真思考改变。随着人工智能的兴起，计算机不断增长的巨额能耗将给人类带来能源危机。计算机在废热上的耗能比运算要多得多，尽管今天高级计算机每删除一段数据只耗费几毫瓦的电，但计算机浪费的能量可以兆瓦计，相当于点亮数百万支灯泡的用电量。

可逆计算机原理与节能优势
原理
可逆计算机是让处理器把每一步运算操作都做两次，先正向运行，然后逆向运行。这是研究人员提出的避免计算机运行高能耗的方法，其所有运行过程都是可逆的。

节能优势
符合热力学定律：热力学定律规定，任何有效的不可逆过程都会伴随着熵的增加，但可逆过程可使熵保持不变，因此浪费的能量很少。如果可逆计算机最终能够成功运行AI程序，那么计算机的能耗将可大幅降低。
释放额外内存：要求每步计算都执行两次，反向运行相同操作时，正向操作中使用的任何额外内存都会被释放。且无论是发出指令还是数据运算，都不涉及数据信息的删除，因此逆行操作不会产生任何明显可觉察的能耗。
减少能量恢复需求：计算机进行的任何操作都含有移动电子这一物理学过程，而可逆计算机移动电子的速度要比传统计算机慢。由于来回移动的电子较少，它就不会因为需要恢复热力学的基本平衡态而耗费大量能量。
可逆计算机发展现状与挑战
发展现状
理论可行：早在1973年，IBM的查尔斯·班尼特就已证明，制造可执行传统计算机所有功能的可逆计算机，在理论上是可行的。
商业机遇：英国Vaire公司30多年前就开始了可逆计算机研发，公司首席技术官兼联合创始人汉娜·厄利认为，如今随着AI带来的能源新挑战，以及传统计算机的迭代放缓，可逆计算机将迎来首个商业化机遇。据Vaire公司预计，可逆计算机芯片最早2027年可投入市场。
面临挑战
编程语言转型：要具备真正竞争力，可逆计算机不仅需要芯片，还得有计算机编程语言的转型配合。加拿大麦克马斯特大学的雅克·卡雷特认为，这种逻辑上完全可逆的计算机语言，对于传统软件开发人员来说是“极不相容的”，从无到有创建一种全新的计算机语言将是一个巨大挑战。不过Vaire团队打算对传统计算机编程语言进行改良来避开这一难题。
硬件改进：研究人员一直在改进一种名为“谐振器”的部件。在芯片内部，电子在改进后的谐振器内的流动速度要比在传统谐振器内慢得多，速度变慢可让计算机不再“觉察”到电子移动，从而避免能源浪费，这对计算机逆向运行的成功非常关键。厄利称，Vaire公司已为去年开发的一种谐振器申请了专利，它可让公司开发的芯片更具实际应用价值。
新型芯片发展趋势
除了投入可逆计算机芯片开发的Vaire公司，不少初创公司还在开发其他类型的计算机芯片。例如，美国初创公司Normal公司的芯片也利用了热力学原理，不过其运行方式并非可逆，而是利用芯片温度自然发生的波动现象来运行计算机。由于计算机可在无需消耗能量的情况下自然回归热力学平衡态，这款芯片拥有很好的节能前景。克鲁克斯认为，AI能源危机已将非传统计算机的发展推到了聚光灯下，未来发展空间巨大，“五年之内，可能会迎来适合多种需求的芯片开发理念大爆发"

　　可逆计算机的概念确实是一种创新的方法来应对传统计算机高能耗的问题。它的核心思想是让处理器把每一步运算操作都做两次，正向和逆向，这样可以避免在删除数据时产生大量的废热，从而提高能效。这种方法遵循热力学原理，因为可逆过程可以使熵保持不变，减少能量浪费。

　　可逆计算机的优势在于，它能够减少计算机在废热上的耗能，这比运算本身消耗的要多得多。传统计算机在删除数据时，会以热能形式流失能量，而可逆计算机通过正向和逆向两次运算，避免了这种能量流失。这样，即使表面上看起来计算被执行了两次，实际上并没有增加能耗，因为逆行操作不涉及数据信息的删除，不会产生额外的能耗。

　　此外，可逆计算机的运行方式也意味着它在移动电子的速度上要比传统计算机慢，这减少了因需要恢复热力学基本平衡态而耗费的能量。这种设计巧妙地利用了热力学原理，为计算机节能提供了新的可能性。

　　总的来说，可逆计算机通过其独特的运算方式，有望大幅降低计算机的能耗，这对于应对当前AI和计算机技术快速发展所带来的能源危机具有重要意义。随着技术的进步和市场的需要，可逆计算机有望在未来几年内投入市场，为解决计算机能耗问题提供新的解决方案。