Michaelas Frankas savo akademinio tyrinėtojo karjerą praleido tris dešimtmečius dirbdamas labai savotiškoje kompiuterių inžinerijos nišoje. Pasak Franko, pagaliau atėjo tos savotiškos nišos metas. „Šių metų pradžioje nusprendžiau, kad atėjo laikas pabandyti komercializuoti šią medžiagą“, – sako Frankas. 2024 m. liepos mėn. jis paliko vyresniojo inžinieriaus mokslininko pareigas Sandia National Laboratories ir prisijungė prie JAV ir JK įsikūrusio startuolio „Vaire Computing“.
Frankas teigia, kad atėjo tinkamas laikas perkelti savo gyvenimo darbą, vadinamą grįžtamuoju skaičiavimu, iš akademinės bendruomenės ir į realų pasaulį, nes skaičiavimo pramonėje senka energija. „Vis labiau artėjame prie įprastų lustų energijos vartojimo efektyvumo didinimo pabaigos“, – sako Frankas. Remiantis IEEE puslaidininkių pramonės veiksmų plano ataskaita, kurią padėjo redaguoti Frankas, šio dešimtmečio pabaigoje pagrindinis įprastos skaitmeninės logikos energijos vartojimo efektyvumas sumažės ir „reikės daugiau netradicinių metodų, tokių, kokių mes siekiame“, – sako jis. .
Moore’o dėsniui klupstant, o jo energijos tematikos pusbroliui Koomey dėsniui lėtėjant, gali prireikti naujos paradigmos, kad būtų patenkinti augantys šiuolaikinio pasaulio skaičiavimo poreikiai. Remiantis Franko tyrimu Sandijoje, Albukerke, grįžtamasis kompiuteris gali pasiūlyti iki 4000 kartų didesnį energijos vartojimo efektyvumą, palyginti su tradiciniais metodais.
„Moore’o įstatymas tarsi žlugo arba tikrai sulėtėjo“, – sako Erikas DeBenedictis, Zettaflops įkūrėjas, nesusijęs su Vaire. „Atverčiamasis skaičiavimas yra viena iš nedaugelio galimybių atnaujinti Moore’o dėsnį arba gauti papildomų energijos vartojimo efektyvumo patobulinimų.
Pirmasis Vaire prototipas, kurį tikimasi pagaminti pirmąjį 2025 m. ketvirtį, yra ne toks ambicingas – jis gamina lustą, kuris pirmą kartą atkuria aritmetinėje grandinėje sunaudotą energiją. Kitas lustas, kuris turėtų pasirodyti rinkoje 2027 m., bus energiją taupantis procesorius, skirtas dirbtinio intelekto išvadoms. 4000 kartų didesnis energijos vartojimo efektyvumo pagerėjimas yra Vaire planuose, bet tikriausiai po 10 ar 15 metų.
„Jaučiu, kad ši technologija žada“, – sako Himanshu Thapliyal, Tenesio universiteto Noksvilio elektrotechnikos ir kompiuterių mokslo docentas, nesusijęs su Vaire. „Tačiau yra ir tam tikrų iššūkių, ir tikimės, kad „Vaire Computing“ sugebės įveikti kai kuriuos iššūkius.
Kas yra grįžtamasis kompiuteris?
Intuityviai žiūrint, informacija gali atrodyti kaip trumpalaikė, abstrakti sąvoka. Tačiau 1961 m. Rolfas Landaueris iš IBM atrado stebinantį faktą: ištrynus šiek tiek informacijos kompiuteryje, būtinai kainuoja energija, kuri prarandama kaip šiluma. Landaueriui pasirodė, kad jei atliktumėte skaičiavimus neištrindami jokios informacijos arba „grįžtamai“, bent jau teoriškai galėtumėte apskaičiuoti nenaudodami jokios energijos.
Pats Landaueris šią idėją laikė nepraktiška. Jei saugotumėte kiekvieną įvestį ir tarpinį skaičiavimo rezultatą, greitai užpildytumėte atmintį nereikalingais duomenimis. Tačiau Landauerio įpėdinis, IBM Charlesas Bennettas, atrado šios problemos sprendimą. Užuot tiesiog saugoję tarpinius rezultatus atmintyje, galite pakeisti skaičiavimą arba „išskaičiuoti“, kai to rezultato nebereikės. Tokiu būdu reikia išsaugoti tik pradines įvestis ir galutinį rezultatą.
Paimkite paprastą pavyzdį, pvz., išskirtinį OR arba XOR vartus. Paprastai vartai nėra grįžtami – yra du įėjimai ir tik vienas išėjimas, o žinant išėjimą negaunate visos informacijos apie tai, kokie buvo įėjimai. Tą patį skaičiavimą galima atlikti grįžtamai, pridedant papildomą išvestį, vienos iš originalių įvesties kopiją. Tada, naudojant du išėjimus, pradines įvestis galima atkurti atliekant išskaičiavimo etapą.
Tradiciniai išskirtiniai ARBA (XOR) vartai nėra grįžtami – jūs negalite atkurti įvesties vien žinodami išvestį. Pridėjus papildomą išvestį, tik vienos iš įvesties kopiją, ji tampa grįžtama. Tada du išėjimai gali būti naudojami XOR vartams „išskaidyti“ ir įvestims, o kartu ir skaičiavimams sunaudotai energijai atkurti.
Idėja vis įgavo akademinį susidomėjimą, o 1990-aisiais keli studentai, dirbantys MIT Thomas Knight vadovaujami, pradėjo eilę apverčiamųjų skaičiavimo lustų principo įrodymo demonstracijų. Vienas iš šių studentų buvo Frankas. Nors šios demonstracijos parodė, kad galimas grįžtamasis skaičiavimas, elektros energijos suvartojimas iš sieninio kištuko nebūtinai buvo sumažintas: nors energija buvo atkurta pačioje grandinėje, vėliau ji buvo prarasta išoriniame maitinimo šaltinyje. Būtent tokią problemą Vairė ir ėmėsi išspręsti.
Skaičiavimas grįžtamai CMOS
Landauerio riba pateikia teorinį minimumą, kiek kainuoja energijos informacijos ištrynimas, tačiau maksimumo nėra. Šiandieniniai CMOS diegimai sunaudoja daugiau nei tūkstantį kartų daugiau energijos, kad šiek tiek ištrintų, nei teoriškai įmanoma. Taip yra daugiausia dėl to, kad tranzistoriai turi išlaikyti didelę signalo energiją, kad būtų patikimi, o normaliai veikiant, visa tai išsisklaido kaip šiluma.
Siekiant išvengti šios problemos, buvo apsvarstyta daugybė alternatyvių fizinių reversinių grandinių įgyvendinimų, įskaitant superlaidžius kompiuterius, molekulines mašinas ir net gyvas ląsteles. Tačiau, kad grįžtamasis skaičiavimas būtų praktiškas, Vaire komanda laikosi įprastų CMOS metodų. „Atšaukiamasis skaičiavimas pakankamai trikdo, koks yra“, – sako Vaire vyriausioji technologijų pareigūnė ir įkūrėja Hannah Earley. „Mes nenorime tuo pačiu metu trikdyti viso kito.”
Kad CMOS veiktų gražiai su grįžtamumu, mokslininkai turėjo sugalvoti protingų būdų, kaip atkurti ir perdirbti šią signalo energiją. „Ne iš karto aišku, kaip priversti CMOS veikti grįžtamai“, – sako Earley.
Pagrindinis būdas sumažinti nereikalingą šilumos susidarymą naudojant tranzistorius – eksploatuoti juos adiabatiškai – yra lėtai didinti valdymo įtampą, o ne staigiai šoktelėti aukštyn arba žemyn. Tai galima padaryti nepridedant papildomo skaičiavimo laiko, teigia Earley, nes šiuo metu tranzistorių perjungimo laikas yra palyginti lėtas, kad būtų išvengta per daug šilumos. Taigi, galite išlaikyti tą patį perjungimo laiką ir tiesiog pakeisti bangos formą, kuri atlieka perjungimą, taupydami energiją. Tačiau adiabatiniam perjungimui reikia kažko, kad būtų sukurtos sudėtingesnės bangos formos.
Vis dar reikia energijos, kad šiek tiek pakeistumėte nuo 0 iki 1, keičiant tranzistoriaus vartų įtampą iš žemos į aukštą būseną. Triukas yra tas, kad tol, kol jūs nekeičiate energijos į šilumą, o kaupiate didžiąją jos dalį pačiame tranzistoryje, galite susigrąžinti didžiąją dalį energijos per išskaičiavimo etapą, kai visi nebereikalingi skaičiavimai apverčiami atvirkščiai. Earley aiškina, kad būdas susigrąžinti šią energiją yra įterpti visą grandinę į rezonatorių.
Rezonatorius yra tarsi siūbuojanti švytuoklė. Jei nebūtų trinties nuo švytuoklės vyrio ar aplinkinio oro, švytuoklė siūbuotų amžinai ir su kiekvienu siūbavimu kiltų į tą patį aukštį. Čia švytuoklės svyravimas yra grandinės maitinimo įtampos kilimas ir kritimas. Kiekvieno pakilimo metu atliekamas vienas skaičiavimo žingsnis. Kiekvieno smukimo metu atliekamas išskaičiavimas, atkuriant energiją.
Kiekvieno realaus įgyvendinimo metu su kiekvienu siūbavimu vis tiek prarandamas tam tikras energijos kiekis, todėl švytuoklei reikia tam tikros galios, kad ji veiktų. Tačiau Vairės požiūris atveria kelią šios trinties sumažinimui. Įterpus grandinę į rezonatorių, vienu metu sukuriamos sudėtingesnės bangos formos, reikalingos adiabatiniam tranzistorių perjungimui, ir suteikiamas mechanizmas sutaupytai energijai atgauti.
Ilgas kelias į komercinį gyvybingumą
Nors idėja rezonatoriuje įterpti grįžtamąją logiką buvo sukurta anksčiau, niekas dar nesukūrė tokios, kuri integruotų rezonatorių luste su skaičiavimo šerdimi. Vaire komanda sunkiai dirba kurdama pirmąją šio lusto versiją. Paprasčiausias įdiegti rezonatorius, kurį komanda sprendžia pirmiausia, yra indukcinis-talpinis (LC) rezonatorius, kuriame kondensatoriaus vaidmenį atlieka visa grandinė, o lusto induktorius padeda išlaikyti įtampos svyravimus.
Lustas, kurį Vaire planuoja išsiųsti gamybai 2025 m. pradžioje, bus grįžtamasis sumatorius, įdėtas į LC rezonatorių. Komanda taip pat dirba su lustu, kuris atliks dauginimo-kaupimo operaciją, pagrindinį skaičiavimą daugelyje mašininio mokymosi programų. Per ateinančius metus Vaire planuoja sukurti pirmąjį grįžtamąjį lustą, skirtą dirbtinio intelekto išvadoms.
„Kai kurie mūsų ankstyvieji bandomieji lustai gali būti žemesnės klasės sistemos, ypač ribotos galios aplinkoje, tačiau netrukus po to kreipiamės ir į aukštesnės klasės rinkas“, – sako Frankas.
LC rezonatoriai yra paprasčiausias būdas įdiegti CMOS, tačiau jie pasižymi palyginti žemos kokybės veiksniais, o tai reiškia, kad įtampos švytuoklė veiks su tam tikra trintis. „Vaire“ komanda taip pat integruoja mikroelektromechaninių sistemų (MEMS) rezonatoriaus versiją, kuri yra daug sunkiau integruojama į lustą, tačiau žada daug aukštesnius kokybės faktorius (mažesnę trintį). Earley tikisi, kad MEMS pagrįstas rezonatorius galiausiai užtikrins 99,97 procentų veikimą be trinties.
Kartu komanda kuria naujas grįžtamųjų loginių vartų architektūras ir elektroninio projektavimo automatizavimo įrankius grįžtamajam skaičiavimui. „Manau, kad dauguma mūsų iššūkių bus susiję su individualia gamyba ir heterointegracija, siekiant sujungti efektyvias rezonatoriaus grandines ir logiką viename integruotame gaminyje“, – sako Frankas.
Earley tikisi, kad tai yra iššūkiai, kuriuos įmonė įveiks. „Iš esmės tai leidžia mums (mums) per ateinančius 10–15 metų pasiekti 4000 kartų didesnį našumą“, – sako ji. „Iš tikrųjų tai priklausys nuo to, kokį gerą rezonatorių galite gauti.
Iš jūsų svetainės straipsnių
Susiję straipsniai visame internete