摩爾定律將失效，可逆計(jì)算有望頂上

50多年來，計(jì)算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展，這要?dú)w功于摩爾定律——在指定尺寸的集成電路上可容納的晶體管數(shù)量隨時(shí)間呈指數(shù)式增長。摩爾定律的成功是因?yàn)殡S著晶體管的變小，其價(jià)格更便宜、速度更快、更節(jié)能。這使得半導(dǎo)體制造技術(shù)的再投資得以實(shí)現(xiàn)，從而制造出更小、更密集的晶體管。因此，這一良性循環(huán)持續(xù)了數(shù)十年。但產(chǎn)業(yè)界、學(xué)術(shù)界和政府研究部門專家預(yù)計(jì)，半導(dǎo)體微型化的趨勢不會持續(xù)太久了——或許5年或許10年。通過縮小晶體管來實(shí)現(xiàn)發(fā)展的時(shí)代已經(jīng)一去不復(fù)返了。十多年前，小型晶體管的物理特性導(dǎo)致時(shí)鐘速度升級遇到瓶頸，行業(yè)便開始制造多核芯片。但即便是多核架構(gòu)也必須應(yīng)對越來越多的暗硅帶來的挑戰(zhàn)。所謂暗硅，是為避免芯片過熱而處于關(guān)閉狀態(tài)的區(qū)域。

半導(dǎo)體行業(yè)正全力以赴地試圖保持微型化的發(fā)展，但無論如何都無法改變物理定律。在不遠(yuǎn)的將來，終會有那么一個(gè)時(shí)刻，使用較小芯片的新計(jì)算機(jī)絕不會比上一代計(jì)算機(jī)更便宜、運(yùn)轉(zhuǎn)更快、更節(jié)能。到那時(shí)，傳統(tǒng)半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展就停止了。

那么非傳統(tǒng)半導(dǎo)體技術(shù)，比如碳納米管晶體管、隧穿晶體管或自旋電子器件會怎樣呢？不幸的是，阻礙今天互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）技術(shù)進(jìn)步的很多根本性物理障礙經(jīng)過改良后仍存在于那些器件中。未來幾年可能還會實(shí)現(xiàn)一定的發(fā)展，但要想維持?jǐn)?shù)十年，僅靠新器件是不夠的，我們需要重新思考最根本的計(jì)算概念。

回顧整個(gè)計(jì)算機(jī)發(fā)展的歷史，計(jì)算機(jī)在執(zhí)行計(jì)算的過程中，在某種程度上故意丟失一些信息（破壞性地覆蓋信息）。但幾十年來，我們已經(jīng)知道，原則上是可以在不損失信息的前提下執(zhí)行任何計(jì)算的，也就是說，計(jì)算可以被逆轉(zhuǎn)，恢復(fù)其之前的狀態(tài)。這種可逆計(jì)算的觀點(diǎn)深入熱力學(xué)和信息理論的核心。事實(shí)上，從目前乃至未來來看，它是物理定律中唯一可能持續(xù)降低通用計(jì)算成本、提高其能效的途徑。

過去，很少有人關(guān)注可逆計(jì)算。這是因?yàn)榭赡嬗?jì)算難以實(shí)現(xiàn)，而且傳統(tǒng)技術(shù)一直在發(fā)展，人們自然不會舍易求難。但現(xiàn)在來看，世界上最好的物理學(xué)家和工程師準(zhǔn)備著手全力研究可逆計(jì)算，其大發(fā)展的時(shí)機(jī)已經(jīng)到來。

可逆計(jì)算的誕生可追溯到IBM的物理學(xué)家羅爾夫的一項(xiàng)研究，他于1961年發(fā)表了一篇題為《計(jì)算過程中的不可逆性和熱生成》的論文，認(rèn)為傳統(tǒng)計(jì)算操作邏輯上的不可逆性直接影響操作設(shè)備的熱力學(xué)行為。以零摩擦的理想型臺球?yàn)槔?。如果你要拍攝一段影片，記錄臺球撞到其他球或擋板后被反彈，那么無論是正著看還是倒著看，影片看起來都很正常。碰撞物理學(xué)也是一樣的道理。你可以根據(jù)球體以前的狀態(tài)推算出以后的狀態(tài)，反之亦然。

這種基本的可逆性同樣適用于量子物理學(xué)。因此，物理系統(tǒng)兩種不同的具體狀態(tài)不能演化為一種完全相同的狀態(tài)，否則就無法通過后來的狀態(tài)判斷出之前的狀態(tài)。換言之，物理學(xué)最低層次的信息不能被毀滅。

物理學(xué)的可逆性意味著我們永遠(yuǎn)無法徹底消除計(jì)算機(jī)中的信息。當(dāng)1比特信息被新的信息覆蓋時(shí)，此前的信息可能喪失了實(shí)際用途，但不會真正在物理意義上被銷毀，而是被推入機(jī)器的熱環(huán)境中，成為信息熵，其本質(zhì)是一種隨機(jī)信息，以熱的形式表現(xiàn)出來。

再回到臺球上。假設(shè)球體、擋板和毛氈存在摩擦力，那么，兩種不同的初始位形可能最終回歸同一種狀態(tài)——球都停留在一邊。信息的摩擦損耗會產(chǎn)生熱量，不過熱量很少。

今天的計(jì)算機(jī)無時(shí)無刻不在擦除信息，導(dǎo)致以傳統(tǒng)方式設(shè)計(jì)的每一個(gè)活躍的邏輯門都在破壞性地覆蓋其此前輸出的信息，浪費(fèi)了能量。傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)本質(zhì)上是一臺昂貴的電熱器，少量的計(jì)算只是它的副業(yè)。

它產(chǎn)生了多少熱量呢？蘭道爾推斷（后經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)），室溫環(huán)境下，每1比特的信息擦除要消耗至少17‰電子伏特。這一數(shù)字很不起眼，但所有操作產(chǎn)生的熱量累加后得出的數(shù)字就很驚人了。實(shí)際上，當(dāng)下CMOS技術(shù)的熱量消耗比蘭道爾所計(jì)算的熱量消耗要多得多，每1比特的信息擦除要消耗約5000電子伏特。在這方面，標(biāo)準(zhǔn)CMOS設(shè)計(jì)能有所改進(jìn)，但也不會低于500電子伏特，依然遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于蘭道爾說的下限值。

可逆計(jì)算的應(yīng)用無疑將帶來計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的變革。但是，可逆計(jì)算的實(shí)現(xiàn)絕非易事，工程方面的障礙不容小覷。要通過任何技術(shù)實(shí)現(xiàn)高效的可逆計(jì)算，都可能需要對整個(gè)芯片設(shè)計(jì)基礎(chǔ)架構(gòu)進(jìn)行全面改革。我們還需要就新設(shè)計(jì)方法的使用對從事數(shù)字工程的大部分人員進(jìn)行再培訓(xùn)。我認(rèn)為，未來幾十年，在教育、研究和開發(fā)方面的新增投資很可能會達(dá)到數(shù)十億美元。這是計(jì)算領(lǐng)域的一次“登月計(jì)劃”。

但這些困難重重的挑戰(zhàn)并不是我們逃避的借口。我們正處在計(jì)算技術(shù)發(fā)展的歷史性時(shí)刻，必須盡快選擇一條道路。

如果我們繼續(xù)墨守成規(guī)，那便意味著放棄計(jì)算機(jī)的未來，接受硬件能效的發(fā)展很快將趨于停滯的事實(shí)。即便是像模擬神經(jīng)元計(jì)算和尖峰神經(jīng)元計(jì)算這樣的非傳統(tǒng)概念，如果不對其進(jìn)行可逆設(shè)計(jì)，最終也會道盡途窮。即使量子計(jì)算取得了突破性進(jìn)展，也只會顯著加快一些高度專業(yè)化的計(jì)算，而對一般性的計(jì)算毫無幫助。

但是，如果我們決定在可逆計(jì)算領(lǐng)域開辟一條新路，就可能對我們未來持久地改進(jìn)計(jì)算技術(shù)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。在物理學(xué)中，通過消耗一定能量來執(zhí)行的可逆計(jì)算量沒有上限。因此，如果我們能大膽抓住機(jī)遇，迎接挑戰(zhàn)，那么計(jì)算的未來前景將無可限量。

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