或許你從未想過，現(xiàn)有計算機的運行方式對能源的揮霍，幾乎相當于用一天就“砸掉”一臺筆記本電腦。
早在上世紀70年代，人們就發(fā)現(xiàn)，當計算機進行運算或刪除數(shù)據(jù)時，不可避免會產生大量廢熱。長久以來，我們一直習慣于計算機這種極度耗能的工作方式，并未重視和認真思考如何去改變。然而，隨著人工智能的興起，計算機不斷增長的巨額能耗將給人類帶來能源危機。
慶幸的是，我們已經有了一個應對辦法，但它涉及一個聽起來不太可能的路徑——讓處理器把每一步運算操作都做兩次，正向，然后逆向。這就是可逆計算機。
傳統(tǒng)計算機之痛，廢熱耗能遠超運算
提高能效需要遵循熱力學原理，早在50年前人們就知道這一點，但囿于傳統(tǒng)計算機的運行方式及其迅速迭代，提高能效的想法一直未能實現(xiàn)。
如今，AI消耗的能源大部分來自化石燃料，其碳足跡增長迅速，已占到全球溫室氣體排放的2%，比整個航空業(yè)的排放量還要多。荷蘭埃因霍溫科技大學的阿伊達·托德瑞·薩尼爾認為，AI高耗能的主要原因是傳統(tǒng)計算機的能量使用方式極為低效——計算機需要不斷刪除數(shù)據(jù)，盡管每次操作所需能量看似微不足道，但這種運行方式使計算機時刻處在逆轉無序狀態(tài)，以達到熱力學系統(tǒng)的平衡態(tài)。
熱力學定律是處理能量、熱量和熵的基本原理。為了提高效率，計算機擦除信息應是一個不可逆的過程，但這只在被擦除信息不用被恢復時才有意義。嚴格來說，這是違背熱力學定律的。根據(jù)熱力學定律，刪除的信息不會消失，而是去了別的地方。因此當一小段數(shù)據(jù)被刪除后，雖然該數(shù)據(jù)不會被恢復，但也不會被徹底消除。
運行中的計算機是一臺產熱量極高的機器，因為它需要不斷刪除信息。就硬件層面來說，每個程序都由一系列基于電子信號的運算構成，即一串串微小的電子流。計算機最基本的操作是邏輯門，比如執(zhí)行“與門”（AND門）操作時，芯片接收輸入信號A和B，輸出A、B之和A+B，而當A+B被饋入下一個邏輯門時，A和B即被刪除。所有的邏輯門都以這種方式刪除信息，這些操作所消耗的能量會以熱能形式流失。
事實上，計算機在廢熱上的耗能比運算要多得多。1961年，IBM公司的羅爾夫·蘭道爾確定了一臺計算機刪除一比特數(shù)據(jù)所耗費的能量下限，即所謂的“蘭道爾極限”。盡管今天的高級計算機每刪除一段數(shù)據(jù)只耗費幾毫瓦的電，還不到一個燈泡用電的幾千分之一，但計算機浪費的能量可以兆瓦計，相當于點亮數(shù)百萬支燈泡的用電量。
如今，隨著可逆計算理念的興起，計算機領域即將發(fā)生重大變革，這將改變計算機內在的傳統(tǒng)高能耗運行方式。
可逆計算機優(yōu)勢，兩次運算巧妙節(jié)能
研究人員提出了一種避免計算機運行高能耗的方法，即創(chuàng)建一種新型計算機。不同于傳統(tǒng)計算機，它的所有運行過程都是可逆的。
熱力學定律規(guī)定，任何有效的不可逆過程都會伴隨著熵的增加，但可逆過程可使熵保持不變，因此浪費的能量很少。如果可逆計算機最終能夠成功運行AI程序，那么計算機的能耗將可大幅降低。
然而，要造出可逆計算機，需要顛覆現(xiàn)有計算理念，并從根本上革新芯片，程序員也要接受一種完全違背直覺的全新程序設計理念。再以“與門”為例，輸入A和B——在傳統(tǒng)計算機里，輸出A+B后，A和B就會被刪除；在可逆計算機里，它們將會存儲在某種記憶模塊里，以避免耗費能量去刪除它們。
蘭道爾擔心，任何規(guī)避這一能耗的努力最終將導致內存不足。但研究人員找到一種解決方法：要求每步計算都執(zhí)行兩次，首先是正向運行，然后再逆向。這是因為，一旦反向運行相同操作，正向操作中使用的任何額外內存都會被釋放。
表面看來，重復運行兩次意味著計算機的能耗會翻倍，但事實并非如此。因為無論是發(fā)出指令還是數(shù)據(jù)運算，都不涉及數(shù)據(jù)信息的刪除，因此逆行操作不會產生任何明顯可覺察的能耗。
可逆計算機就以這種方式巧妙利用了熱力學原理。計算機進行的任何操作都含有移動電子這一物理學過程，而可逆計算機移動電子的速度要比傳統(tǒng)計算機慢。也就是說，如果將可逆計算機看作是一個物理學系統(tǒng)，由于來回移動的電子較少，它就不會因為需要恢復熱力學的基本平衡態(tài)而耗費大量能量。
芯片最早后年上市，關鍵在于軟硬件配合
其實，早在1973年，IBM的查爾斯·班尼特就已證明，制造可執(zhí)行傳統(tǒng)計算機所有功能的可逆計算機，在理論上是可行的。可為何我們會一直囿于這種低能效的不可逆計算機呢？答案很簡單：傳統(tǒng)計算機迭代速度太快，這使可逆計算機很難與其競爭。
“我們不知道可逆計算機節(jié)能的極限在哪里，但在理論上，哪怕節(jié)省上千倍都是有可能的�！庇鳹aire公司30多年前就開始了可逆計算機研發(fā)，公司首席技術官兼聯(lián)合創(chuàng)始人漢娜·厄利認為，如今隨著AI帶來的能源新挑戰(zhàn)，以及傳統(tǒng)計算機的迭代放緩，可逆計算機將迎來首個商業(yè)化機遇。
據(jù)Vaire公司預計，可逆計算機芯片最早2027年可投入市場。不過，要具備真正競爭力，它不僅需要芯片，還得有計算機編程語言的轉型配合。
加拿大麥克馬斯特大學的雅克·卡雷特認為，這種邏輯上完全可逆的計算機語言，對于傳統(tǒng)軟件開發(fā)人員來說是“極不相容的”，從無到有創(chuàng)建一種全新的計算機語言將是一個巨大挑戰(zhàn)。
Vaire團隊的想法是，盡可能避開這一難題，對傳統(tǒng)計算機編程語言進行改良。他們正在開發(fā)一種無需開發(fā)全新計算機語言的界面，那樣計算機編程人員也無需重新學習。
在硬件方面，研究人員一直在改進一種名為“諧振器”的部件。在芯片內部，電子在改進后的諧振器內的流動速度要比在傳統(tǒng)諧振器內慢得多。電子流動產生電信號，速度變慢可讓計算機不再“覺察”到電子移動，計算機也就不用為恢復熱力學上的平衡態(tài)而散熱，從而避免能源浪費——這對計算機逆向運行的成功非常關鍵。
厄利稱，Vaire公司已為去年開發(fā)的一種諧振器申請了專利，它可讓公司開發(fā)的芯片更具實際應用價值。
未來計算空間廣闊，新型芯片將迎井噴
“嘗試開發(fā)新技術來解決計算機能耗問題，是個了不起的想法，但問題是需要多久才能投入市場，因為計算機造成的能源危機已迫在眉睫。”英國牛津大學的戴維·米頓指出，改進傳統(tǒng)計算機軟硬件的工作已在加緊進行中。
除了投入可逆計算機芯片開發(fā)的Vaire公司，不少初創(chuàng)公司還在開發(fā)其他類型的計算機芯片。例如，美國初創(chuàng)公司Normal公司的芯片也利用了熱力學原理，不過其運行方式并非可逆，而是利用芯片溫度自然發(fā)生的波動現(xiàn)象來運行計算機。由于計算機可在無需消耗能量的情況下自然回歸熱力學平衡態(tài)，這款芯片擁有很好的節(jié)能前景。
Normal公司的加文·克魯克斯稱，這種芯片非常適合AI，如產生文本和圖像。項目開展不到一年，該公司已生產出首批芯片，現(xiàn)正在開發(fā)更先進的硬件系統(tǒng)，并開始創(chuàng)建軟件系統(tǒng)。
克魯克斯認為，AI能源危機已將非傳統(tǒng)計算機的發(fā)展推到了聚光燈下，未來發(fā)展空間巨大，“五年之內，可能會迎來適合多種需求的芯片開發(fā)理念大爆發(fā)”。
據(jù)預測，各種專用芯片的井噴時刻即將到來——它們之間并非競爭關系，而是共生共存，每一種新型芯片都將找到各自獨特的生態(tài)位。不過，這一切將是一條漫長而艱難的負重之路，不會一蹴而就。
