Все новости от 12 мая 2005 г.

Из истории

Тематика зеттафлопсных компьютеров стала более-менее пристально обсуждаться лишь в XXI веке, когда окончательно прояснились ограничения классических технологий создания процессоров, а математические наработки позволили оценить перспективность других альтернатив. Основное ограничение общепринятых методов создания кремниевых вычислителей связано с так называемым принципом Ландауэра.

Рольф Ландауэр, исследователь из IBM, ещё в 1961 г. показал, что энергия в процессе вычислений расходуется не на что иное, как на уничтожение битов информации. На практике при стирании бита происходит выделение некоторого (очень малого) количества тепла. Но в классической фон-неймановской архитектуре значения битов в регистрах процессора переписываются огромное множество раз и объём выделяемой при этом энергии уже становится заметным. Общеизвестен факт нагревания процессоров, и чем больший объём вычислений со стиранием информации они производят, тем сильнее греются. Процессор с быстродействием 100 петафлопс уже будет выделять около мегаватта тепла, а один зеттафлопсный процессор — приблизительно 10 гигаватт, объём, сравнимый с энергопотреблением некоторых западных стран³.

Теоретическое решение проблемы сформулировал в 1973 г. Чарльз Беннет, которого на работу в IBM пригласил сам Ландауэр. Беннет в соответствии с идеями своего коллеги предложил достаточно простой выход: чтобы выделения энергии не происходило, достаточно просто прекратить в ходе вычислений стирание битов информации! Надо не расходовать энергию на перезапись ненужных битов (увеличение энтропии), а за счет входного сигнала каким-то образом их накапливать, сохранять в системе для последующего использования, тогда, очевидно, общая энтропия системы не будет увеличиваться и рассеивания тепла не произойдет.

В результате появилась концепция так называемых обратимых вычислений, когда стирания информации на выходе некоторого логического модуля не происходит, а для этого необходимо, чтобы по выходной информации можно было восстановить информацию на входе (для чего, как правило, требуется усложнить конструкцию такого модуля). Например, операция логического отрицания NOT обратима — по её результату можно узнать исходное значение. А вот классические операции AND или OR необратимы.

Другими словами, если необратимые логические операции полностью расходуют энергию сигнала, то обратимые могут повторно и многократно задействовать ее части для продолжения расчетов и восстановления своего исходного состояния, поэтому теоретически КПД подобного вычислителя может быть сколь угодно близок к 100%⁴.

Впоследствии физики пришли к выводу, что не существует ни одной необратимой технологии, на базе которой можно построить процессор с зеттафлопсной производительностью, характеризующийся разумным выделением тепла. Ресурсы же этих технологий, в соответствии с законом Мура и темпами развития процессорного рынка, будут исчерпаны где-то через 20 лет. Петафлопсные устройства ожидаются примерно в 2010 г., а к 2020-му будет достигнут порог в 1 экзафлопс, после чего следует ждать технологического кризиса.

В то же время каких-либо масштабных целенаправленных исследований по обратимым логическим процессам, где любые вычисления происходят с сохранением всех битов, буквально до 2004 г. не проводилось. Даже единичные серьёзные научные работы по этой теме как физиков, так и математиков содержат ошибки.