本文来自微信公众号“半导体行业观察”，编译自IEEE。
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迈克尔·弗兰克(Michael Frank)的职业生涯长达三十多年，一直从事学术研究，研究计算机工程这一非常特殊的领域。据弗兰克说，这个特殊领域的时代终于到来了。“今年早些时候，我决定，现在是尝试将这种技术商业化的最佳时机，”弗兰克说。2024年7月，他辞去了桑迪亚国家实验室高级工程科学家的职务，加入了一家总部位于美国和英国的初创公司Vaire Computing。
弗兰克认为，现在是将他毕生的心血——可逆计算——从学术界带入现实世界的最佳时机，因为计算行业的能源即将耗尽。“我们越来越接近传统芯片能效提升的终点，”弗兰克说。根据弗兰克协助编辑的IEEE半导体行业路线图报告，到本世纪末，传统数字逻辑的基本能效将达到稳定水平，“这将需要更多我们正在追求的非传统方法，”他说。
随着摩尔定律的失败和以能源为主题的“库米定律”的放缓，可能需要一种新的模式来满足当今世界日益增长的计算需求。根据弗兰克在阿尔伯克基桑迪亚国家实验室的研究，与传统方法相比，可逆计算可以提供高达4,000倍的能源效率。
“摩尔定律已经崩溃，或者说它真的慢了下来，”Zettaflops创始人Erik DeBenedictis表示，他与Vaire并无关联。“可逆计算是重振摩尔定律或进一步提高能源效率的少数选择之一。”
Vaire的第一款原型预计将于2025年第一季度制造完成，但目标并不那么宏大——它生产的芯片首次能够回收算术电路中使用的能量。下一款芯片预计将于2027年上市，是一款专门用于AI推理的节能处理器。4,000倍的能效提升已列入Vaire的路线图，但可能还需要10到15年的时间。
“我觉得这项技术很有前景，”田纳西大学诺克斯维尔分校电气工程与计算机科学副教授Himanshu Thapliyal表示，他与Vaire并无关联。“但也存在一些挑战，希望Vaire Computing能够克服其中的一些挑战。”
什么是可逆计算？
直观地看，信息似乎是一个短暂而抽象的概念。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：在计算机中删除一点信息必然会消耗能量，而这些能量会以热量的形式流失。兰道尔想到，如果你在不删除任何信息的情况下进行计算，或者“可逆地”进行计算，那么至少在理论上，你可以完全不使用任何能量进行计算。
兰道尔本人认为这个想法不切实际。如果你要存储每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。你可以逆转计算，或者说“反计算”，而不是仅仅将中间结果存储在内存中，一旦不再需要该结果。这样，只需要存储原始输入和最终结果。
举一个简单的例子，例如异或门。通常，门是不可逆的——有两个输入和一个输出，知道输出并不能让你完全了解输入是什么。同样的计算可以通过添加一个额外的输出（原始输入之一的副本）来逆向完成。然后，使用这两个输出，可以在反计算步骤中恢复原始输入。
这一想法不断获得学术界的关注，在20世纪90年代，麻省理工学院托马斯·奈特(Thomas Knight)手下的几名学生开始进行一系列可逆计算芯片的原理验证演示。其中一名学生就是弗兰克。虽然这些演示表明可逆计算是可能的，但电源插头的功耗并不一定降低：尽管电路本身可以恢复功率，但随后会在外部电源中损耗。这就是Vaire着手解决的问题。
CMOS中的可逆计算
Landauer极限给出了信息擦除所耗费的能源的理论最小值，但没有最大值。当今的CMOS实现擦除一个位所耗费的能源是理论上可能耗费的1000多倍。这主要是因为晶体管需要保持高信号能量以保证可靠性，而在正常运行下，这些能量都会以热量的形式消散。
为了避免这个问题，人们考虑了许多可逆电路的替代物理实现，包括超导计算机、分子机器，甚至活细胞。然而，为了使可逆计算实用化，Vaire的团队坚持使用传统的CMOS技术。“可逆计算本身就具有足够的颠覆性，”Vaire首席技术官兼联合创始人Hannah Earley表示。“我们不想同时颠覆其他一切。”
为了使CMOS能够很好地发挥可逆性，研究人员必须想出巧妙的方法来恢复和循环利用这种信号能量。“目前还不清楚如何让CMOS可逆地运行，”Earley说。
减少晶体管使用过程中不必要热量产生的主要方法（使晶体管绝热运行）是缓慢地增加控制电压，而不是突然增加或减少控制电压。Earley认为，这可以在不增加额外计算时间的情况下实现，因为目前晶体管的开关时间保持相对较慢，以避免产生过多的热量。因此，您可以保持开关时间相同，只需改变进行开关的波形，从而节省能源。然而，绝热开关确实需要一些东西来产生更复杂的斜坡波形。
将一个位从0翻转为1仍需要能量，从而将晶体管的栅极电压从低状态变为高状态。诀窍在于，只要你不将能量转化为热量，而是将大部分能量存储在晶体管本身中，你就可以在反计算步骤中恢复大部分能量，在此步骤中，任何不再需要的计算都会被逆转。Earley解释说，恢复能量的方法是将整个电路嵌入谐振器中。
谐振器有点像摆动的钟摆。如果钟摆的铰链或周围空气没有摩擦，钟摆就会永远摆动，每次摆动的高度都相同。在这里，钟摆的摆动是为电路供电的电压的上升和下降。每次上升摆动时，都会执行一个计算步骤。每次下降摆动时，都会执行一次计算，从而恢复能量。
在实际应用中，每次摆动都会损失一定量的能量，因此钟摆需要一定的能量才能继续摆动。但Vaire的方法为最大限度地减少这种摩擦铺平了道路。将电路嵌入谐振器中，可以同时创建绝热晶体管开关所需的更复杂的波形，并提供恢复节省的能量的机制。
商业可行性的漫漫长路
虽然在谐振器中嵌入可逆逻辑的想法之前已经开发出来，但还没有人制造出将芯片上的谐振器与计算核心集成在一起的谐振器。Vaire的团队正在努力开发这种芯片的第一个版本。最容易实现的谐振器，也是该团队首先要解决的谐振器，是电感电容(LC)谐振器，其中整个电路充当电容器的角色，片上电感器用于保持电压振荡。
Vaire计划于2025年初送去制造的芯片将是嵌入在LC谐振器中的可逆加法器。该团队还在开发一种可执行乘法累加运算的芯片，这是大多数机器学习应用中的基本计算。在接下来的几年里，Vaire计划设计第一款专门用于AI推理的可逆芯片。
“我们的一些早期测试芯片可能是针对低端系统，特别是功率受限的环境，但不久之后，我们也会针对高端市场，”弗兰克说。
LC谐振器是CMOS中实现的最直接方法，但它们的品质因数相对较低，这意味着电压摆在运行时会产生一些摩擦。Vaire团队还在致力于集成微机电系统(MEMS)谐振器版本，这种谐振器在芯片上的集成难度要大得多，但品质因数要高得多（摩擦更小）。Earley预计基于MEMS的谐振器最终将提供99.97%的无摩擦运行。
在此过程中，该团队正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。“我认为，我们面临的大部分挑战在于定制制造和异质集成，以便将高效的谐振器电路与逻辑结合在一个集成产品中，”弗兰克说。
Earley希望这些是公司将克服的挑战。“原则上，这将使我们在未来10到15年内将性能提高4,000倍，”她说。“实际上，这将取决于你能得到多好的谐振器。”
参考链接
https://spectrum.ieee.org/reversible-computing
