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可逆计算(2)

智能简史:谁会代替人类成为主导物种 作者:(美)雨果·德·加里斯


既然计算机的个体门电路可逆,那么计算机本身也可以被做成可逆的。换句话说,人们能够从计算机左端输入初始比特串,并且这些可以被计算机内的Fredkin门处理。作为结果的输出(答案)将从计算机右端的门电路输出。

你可以复制一份结果(这可能会产生一点热量),然后把结果从右端到左端送入计算机。因为计算机的所有门都是可逆的,你将会得到你从左端开始的输入。你进行了一个可逆计算。没有任何比特丢失,因此没有产生任何热量。然而,你得到了你想要的结果,因为你在计算过程中制造了一份拷贝,也就是说,在你“倒转”处理的方向之前进行了拷贝。

可逆计算可能会花费相当于传统计算两倍的计算时间,因为你必须把结果从同样的电路送回(或者是相同的拷贝),但是至少没有任何热量产生。

这样的显著意义是什么?为什么我要花费这么长的时间和精力来解释这样的事物?因为我认为20世纪70年代对于可逆的且无热量的计算理论的发现是本世纪最伟大的科学发现之一,并且和本书的主要思想有密切关系。

因为这是一个非常“强烈”的声明,所以估计将会被很多人怀疑,特别是我的一些同事,先让我说明为什么我有这样的观点。

一些年以前,一些物理计算学家一直在思考:“如果摩尔定律一直扩展到分子级别,如果人们还继续采用传统的非可逆的、清除比特的信息处理技术,分子级别电路将会产生多少热量呢?”答案是令人惊讶的。

如此高度密集的电路不但会因为热量而熔化,甚至会发生爆炸。很明显,分子级别的电路即使会被制造,也必须放弃传统的不可逆的计算形式,而开始使用新的可逆形式。

直到最近,研究者们才开始认真思考可逆计算机的设计。笔记本电脑和掌上电脑行业对可逆计算很感兴趣,因为这可以帮助他们解决“电池寿命”的问题。

如果他们的计算机可以使用更具可逆性的电路,那么消耗的电池能量将更少,因为它们消费的热量更少。因此,电池将消耗得更慢,寿命将会更长。消费者将更乐意去购买电池寿命更长的笔记本电脑。比如,如果只需一个笔记本电脑电池就可以维持整个跨越大西洋的飞行旅程的话,岂不是一件非常美妙的事情?

所以,可逆计算的出现势在必行。当摩尔定律继续有效时,无疑增加了计算机设计者使用可逆计算模式的压力。这只是个时间问题。

但是,如果我们开始认真接受无热计算的概念,我们可以开始尝试一些革命性的想法。例如,为什么当代的电路是二维的?为什么我们谈论二维的硅“芯片”(也就是层片),而不是三维的“块”?这都是因为热量。如果我们用当代的电路元器件密集程度来制造三维的硅块,将会产生如此多的热量以至于芯块会熔化。还有,当它们被制造好后,我们应怎样去设计和调试它们?我们还没有这样的技术来做这些事情。我们甚至不会考虑试着去制造三维电路,因为我们知道只要热产生问题不解决,一切都将只是徒劳。

但是,只要拥有可逆的无热电路,我们就可以从容地制造大型的三维电路,理论上说,没有任何尺寸上的限制。我们可以制造出1立方厘米、1立方米尺寸的电路,或者一个房间那样大小,或一幢房子、一座建筑物、一座城市,甚至一个几万公里直径的小行星那样大。(小行星是绕太阳公转、公转半径在火星和木星之间的、充满岩石和金属的大圆石。在“小行星带”中有成千上万个非常巨大的小行星。)

在理论上,我们可以制造像月亮或行星一样大小的计算机,但是事实会证明,引力作用将是个问题。

现在你可能在怀疑,为什么我认为可逆计算是如此极端的重要。请你问自己一个问题,例如,一个小行星可以存储多少比特的信息。答案是大概1040个,也就是“1”后面跟40个零,一万个亿万亿万亿万个原子,也就是比特。


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