2025年前沿科技 | 可逆计算走出实验室

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迈克尔·弗兰克（Michael Frank）作为学术研究员，在计算机工程行业的一个非常特殊的领域工作了30多年。弗兰克认为，这一特殊领域的时代终于到来了。“今年早些时候，我认为是尝试进行商业化的时候了。”弗兰克说。2024年7月，他辞去了美国桑迪亚国家实验室（位于阿尔伯克基）的高级工程科学家一职，加入了在美国和英国均设有办公室的初创公司Vaire Computing。

弗兰克认为，现在是时候将他的毕生心血——可逆计算——从学术界带入现实世界了，因为计算行业正面临着能量枯竭的危险。“我们越来越接近传统芯片能效提升的极限。”弗兰克说。根据弗兰克参与编辑的IEEE半导体行业路线图，到这个十年末，传统数字逻辑的基本能效将到达平台期。“要继续下去，需要更加非传统的方法，比如我们正在研究的方法。”他说。

随着摩尔定律及其能效“表亲”库米定律的放缓，可能需要一种新范式来满足当今世界日益增长的计算需求。根据弗兰克在美国桑迪亚国家实验室的研究，相比传统方法，可逆计算可能带来的能效增益高达4000倍。

“在某种程度上，摩尔定律已经崩溃，或者说它真的放慢速度了。”Zettaflops公司的创始人埃里克·德贝内迪克蒂斯（Erik DeBenedictis，与Vaire Computing公司没有关联）说，“可逆计算是重振摩尔定律的少数几种选择之一，或可进一步提高能效。”

Vaire Computing公司的第一款原型预计将在2025年第一季度制造出来，它的步伐相对保守——这是第一款回收计算电路所用能量的芯片。该公司的下一款芯片预计将于2027年上市，是一款专门用于人工智能（AI）推理的节能处理器。Vaire Computing公司的路线图中还包括了将能效提升4000倍这一目标，但可能需要10到15年的时间才能实现。

“我觉得这项技术很有前景。”美国田纳西大学诺克斯维尔分校电气工程和计算机科学副教授希曼舒·塔普利亚尔（Himanshu Thapliyal）说，他与Vaire Computing公司也没有关联，“但也存在一些挑战，希望Vaire Computing公司能够克服其中一些挑战。”

直观来说，信息可能像是一个短暂、抽象的概念。但在1961年，IBM的罗尔夫·兰道尔（Rolf Landauer）发现了一个令人惊讶的事实：在计算机中擦除一位信息必定会消耗能量，并且能量以热量的形式损失。兰道尔意识到，如果在不擦除任何信息的情况下计算，或者说以“可逆”的方式计算，那么，至少在理论上，就可以实现完全不消耗任何能量的计算。

兰道尔本人认为这个想法不切实际。如果要存储每一个输入和中间计算结果，内存很快就会被不必要的数据填满。但兰道尔的继任者、IBM的查尔斯·贝内特（Charles Bennett）发现了解决这个问题的方法：不是在内存中存储中间结果，而是在不需要某个结果时进行可逆计算。这样，只需要存储原始输入和最终结果即可。

举一个简单的例子，异或（XOR）门。通常情况下，门是不可逆的，它有两个输入和一个输出，而仅仅知道输出并不能完全清楚输入是什么。添加一个额外输出，即复制其中一个原始输入，这个计算就可以做到可逆。可利用这两个输出逆向计算，找回原始输入。

这个想法不断得到学术界的关注，20世纪90年代，麻省理工学院的托马斯·奈特（Thomas Knight）指导的几位学生开始演示一系列可逆计算芯片的原理验证。弗兰克就是其中一位学生。这些演示证明可逆计算是可能的，但外部电源供给并不一定会降低：虽然回收了电路内部的能量，但这些能量随后又在外部电源供应中损失了。这就是Vaire Computing公司要解决的问题。

兰道尔极限给出了信息擦除所需能量的一个最小理论值，但没有最大值。今天的互补金属氧化物半导体（CMOS）执行擦除一位信息时消耗的能量是理论值的1000倍以上。这主要是因为晶体管需要维持较高的信号能量来保证可靠性，这些能量又以热量的形式损失掉了。

为了避免这个问题，研究人员考虑过许多其他物理方式来实现可逆电路，包括超导计算机、分子机器甚至是活细胞。然而，为了使可逆计算具有可行性，Vaire Computing团队坚持使用传统的互补金属氧化物半导体技术。“可逆计算本身已经足够颠覆了。”Vaire Computing公司首席技术官兼联合创始人汉娜·厄尔利（Hannah Earley）说，“我们不想同时颠覆其他一切。”

为了使互补金属氧化物半导体适用于可逆电路，研究人员需要想出巧妙的方法来回收和循环利用其中一些信号能量。“现在还不太清楚该如何让互补金属氧化物半导体以可逆的方式工作。”厄尔利说。

要减少晶体管运行过程中产生不必要的热量（运行在绝热条件下），主要方法是缓慢调控电压，而不是突然升高或降低。厄尔利认为，这可以不增加额外计算时间，为了避免产生过多的热量，晶体管目前的开关时间相对较长。所以，我们可以保持开关时间不变，只改变开关的波形，节省能量。不过，绝热开关确实需要一些方法来生成更复杂的斜坡波形。

将一个位从0转换为1，晶体管的栅压由低转变为高，仍然需要能量。关键是，只要不把能量转化为热量，而是将大部分能量存储在晶体管自身中，就可以在反计算步骤中回收这部分能量，逆转所有不再需要的计算。厄尔利解释道，回收这部分能量的方法是将整个电路嵌入到谐振器中。

谐振器有点像摆动的钟摆。如果钟摆与吊链或周围空气没有摩擦，钟摆将永远摆动，且每次摆动都达到相同的高度。在这里，钟摆的摆动即为驱动电路的电压的升降。每上升一次，就执行一步计算；每下降一次，就执行反计算，回收能量。

在每个实际执行过程中，每次摆动仍然会伴随一些能量损失，因此需要一些能量来维持钟摆的摆动。但Vaire Computing公司的方法就是设法尽可能减少这种摩擦。将电路同时嵌入到谐振器中，既能创造绝热晶体管开关所需的更为复杂的波形，又能提供机制回收节省下的能量。

虽然之前有人研究过将可逆逻辑嵌入谐振器的想法，但还没有人实现过将片上谐振器与计算核心集成在一起。最容易实现的谐振器，也是Vaire Computing公司首先研究的谐振器，是电感电容谐振器，其中，电容器的角色由整个电路承担，片上电感器则用来保持电压振荡。

Vaire Computing公司计划在2025年初送去生产的芯片是一款嵌入电感电容谐振器的可逆加法器。该团队还在开发一款芯片，可执行乘法累加操作，这是大多数机器学习应用中的基本计算。未来几年，Vaire Computing公司计划设计首款人工智能推理专用的可逆芯片。

弗兰克说：“我们早期的一些测试芯片可能针对的是低端系统，特别是那些功率受限的环境，但不久之后，我们也会涉足高端市场。”

在互补金属氧化物半导体（CMOS）中实现电感电容谐振器最容易，但它们的品质因数比较低，这意味着电压钟摆摆动时存在一些摩擦。Vaire Computing团队还在开发集成微机电系统（MEMS）的谐振器版本，虽然这种谐振器很难集成在芯片上，但能明显提高品质因数（摩擦更少）。厄尔利预计，基于微机电系统的谐振器最终将实现99.97%的无摩擦运行。

与此同时，团队还在设计新的可逆逻辑门架构和用于可逆计算的电子设计自动化工具。弗兰克表示：“我认为，为了将高效的谐振器电路与逻辑电路集成在一个产品中，我们面临的大部分挑战可能在于定制制造和异构集成。”

厄尔利希望公司能够克服这些挑战。“从原则上讲，这（让我们）有可能在未来10到15年内将性能提高4000倍。”她说，“真正的关键在于，你的谐振器有多好。”