或許你(nǐ)從(cóng)未想過，現(xiàn)有(≤♥<∑yǒu)計(jì)算(suàn)機(jī)的(de)×&↔運行(xíng)方式對(duì)能(néng)源×♦的(de)揮霍，幾乎相(xiàng)當于用(yòng)一(yī)α×天就(jiù)“砸掉”一(yī)台筆(<σα✔bǐ)記本電(diàn)腦(nǎo)。
早在上(shàng)世紀70年(nián)代，人(rénδ¥ ♥)們就(jiù)發現(xiàn)，當計(jì)算×δ(suàn)機(jī)進行(xíng)運算(suàn)或删除數(shù)據±β>時(shí)，不(bù)可(kě)避免會(huì)産生±σ™(shēng)大(dà)量廢熱(rè)。長(cháng)久以來(©©♦£lái)，我們一(yī)直習(xí)慣于計(jì)算γε§π(suàn)機(jī)這(zhè)種極度耗能§≠β©(néng)的(de)工(gōng)作(zuò)方式，并未重視(shì&φ♦ )和(hé)認真思考如(rú)何去(qù)改變。然而，随著(zhe)人​β≥(rén)工(gōng)智能(néng)的(de)興起，計₩✔δ(jì)算(suàn)機(jī)不(bù)斷增長(cháng)的β↓¥(de)巨額能(néng)耗将給人(rén)類帶來(lái)能(néng≈±↔←)源危機(jī)。
慶幸的(de)是(shì)，我們已經有(yǒu)了(le)∏∑↓一(yī)個(gè)應對(duì)辦法，但(dàn§®λ)它涉及一(yī)個(gè)聽(tīng)起來(lái)不(bù)太可€₩®∏(kě)能(néng)的(de)路(lù)徑&™δmdash;—讓處理(lǐ)器(qì)把每一(yī)步運算(su¶≤δàn)操作(zuò)都(dōu)做(zuò♠<≤₩)兩次，正向，然後逆向。這(zhè)就(jiù)是(β®←shì)可(kě)逆計(jì)算(suàn)π£δγ機(jī)。
傳統計(jì)算(suàn)機(jī)之痛，廢熱(rè)耗能(néng)✔€♣γ遠(yuǎn)超運算(suàn)
提高(gāo)能(néng)效需要(yào)遵循熱(∞φrè)力學原理(lǐ)，早在50年(nián≤')前人(rén)們就(jiù)知(zhī)道(dào)這(zhè)一(y∞α®ī)點，但(dàn)囿于傳統計(jì)算(suàn)機(jī)÷ →的(de)運行(xíng)方式及其迅速叠代，提高(× ≠gāo)能(néng)效的(de)想法一(yī)直未能(néng)實現 β(xiàn)。
如(rú)今，AI消耗的(de)能(néng)源大(dà)部分(fγλ ☆ēn)來(lái)自(zì)化(huà)石燃料，επ其碳足迹增長(cháng)迅速，已占到(dào)全球溫室氣體(t©'ǐ)排放(fàng)的(de)2%，比整個(gπ>è)航空(kōng)業(yè)的(de)排放(fàng)量還(h±₹ái)要(yào)多(duō)。荷蘭埃因霍溫科(kē)技(jì)大↔ ↓©(dà)學的(de)阿伊達·托德瑞·薩φ☆₹•尼爾認為(wèi)，AI高(gāo)耗能(néng)的(Ωδ≈ de)主要(yào)原因是(shì)傳統計(jì)算(α₩suàn)機(jī)的(de)能(nén₽£g)量使用(yòng)方式極為(wèi)低♣♣(dī)效——計(jì)算(suàn)★​ <機(jī)需要(yào)不(bù)斷删除數(‍®←&shù)據，盡管每次操作(zuò)所需能(néng)量看(kàn)似微(wēi→☆↓ )不(bù)足道(dào)，但(dàn)這(zhè)種≥±運行(xíng)方式使計(jì)算(suàn)機(jī)時(sh↕‍í)刻處在逆轉無序狀态，以達到(dào)熱(rè)力學系統的(de)σ‍<平衡态。
AI作(zuò)圖
熱(rè)力學定律是(shì)處理(lǐ)能(néng)量、熱(rè)量和↕​§(hé)熵的(de)基本原理(lǐ)。為(wèi)了(le)提高(g↑∞★‍āo)效率，計(jì)算(suàn)機(jī)擦除信息應是(±€↔≠shì)一(yī)個(gè)不(bù)可(kě)逆的(de)過程，但☆★±™(dàn)這(zhè)隻在被擦除信息不(b∏★$ù)用(yòng)被恢複時(shí)才有(yǒu)意義。嚴格來(lá&©i)說(shuō)，這(zhè)是(shì)違背©$熱(rè)力學定律的(de)。根據熱(rè)力學定律，删除的(de)信息不(≤≈≤bù)會(huì)消失，而是(shì)去(qù)了(le≥¥ε♦)别的(de)地(dì)方。因此當一(yī)小(xiǎo)段數(shù)據β¥∑被删除後，雖然該數(shù)據不(bù)會(h✘× uì)被恢複，但(dàn)也(yě)不(bù)會(huì)被徹底∑σ≤消除。
運行(xíng)中的(de)計(jì)算(suàn)機( ‌≈¥jī)是(shì)一(yī)台産熱(rèσ €₩)量極高(gāo)的(de)機(jī)器(qì)，因為(w←αφèi)它需要(yào)不(bù)斷删除信息。就(jiù)硬件(♠<jiàn)層面來(lái)說(shuō)，每個(gè)程序都(dōu)★ε$由一(yī)系列基于電(diàn)子(zǐ)信号的(de)運算(‌&suàn)構成，即一(yī)串串微(wēi)小(xiǎo)的(de)電(di&≤∑→àn)子(zǐ)流。計(jì)算(suàn)機≈≈₹(jī)最基本的(de)操作(zuò)是(shì)邏輯門(mén)，比如(rú₹Ω")執行(xíng)“與門(mén)&rdq↑☆uo;（AND門(mén)）操作(zuò)時(shí)，芯片接收輸入信号ε∑✔→A和(hé)B，輸出A、B之和(hé)A+B，而當A+B被≥ 饋入下(xià)一(yī)個(gè)邏輯門(mén)時(shí)，A×σ ↓和(hé)B即被删除。所有(yǒu)的(de)邏輯門(Ω♥≥£mén)都(dōu)以這(zhè)種方式删∑>‍除信息，這(zhè)些(xiē)操作(zuα★ò)所消耗的(de)能(néng)量會(huì)以熱(rè)能(£ ♥néng)形式流失。
事(shì)實上(shàng)，計(jì)算(suàn)♣§✘機(jī)在廢熱(rè)上(shàng)的(de)耗能(néng)比運算(sλ÷uàn)要(yào)多(duō)得(de)多(duō)。19™ ↔₽61年(nián)，IBM公司的(de)羅爾₹×✘夫·蘭道(dào)爾确定了(le)φ¥一(yī)台計(jì)算(suàn)機(jī)删除一(yσ‍ī)比特數(shù)據所耗費(fèi)的(©→‍de)能(néng)量下(xià)限，即所謂的(de)“¥★σ↓蘭道(dào)爾極限”。盡管今天的(de)高δ©≤∏(gāo)級計(jì)算(suàn)機(jī)每删除一(yī)段數(shù)>≈≠π據隻耗費(fèi)幾毫瓦的(de)電(diàn)，還(hái)不(bù)到(d©↕±πào)一(yī)個(gè)燈泡用(yòng)電(diàn)的(d↓®<αe)幾千分(fēn)之一(yī)，但(d'Ω÷àn)計(jì)算(suàn)機(jī)浪費(fèi)的(de)能( σnéng)量可(kě)以兆瓦計(jì)，相(xiàng)當于點亮(l©÷iàng)數(shù)百萬支燈泡的(de)用(yòng)電(diàn)量。
如(rú)今，随著(zhe)可(kě)逆計(jì)算≈₹λλ(suàn)理(lǐ)念的(de)興起，計(jì)算(suàn)®Ω 機(jī)領域即将發生(shēng)重大(≥‌®dà)變革，這(zhè)将改變計(jì)δ>算(suàn)機(jī)內(nèi)在的(≈'de)傳統高(gāo)能(néng)耗運行(xíng)₽ 方式。
可(kě)逆計(jì)算(suàn)機(jī)優♦ ≤÷勢，兩次運算(suàn)巧妙節能(néng)
研究人(rén)員(yuán)提出了(le)一($ yī)種避免計(jì)算(suàn)機(j€ ↓ī)運行(xíng)高(gāo)能(néng)耗的(de≥♠)方法，即創建一(yī)種新型計(jì)算(suàn)機(jī)。不↔¥₽σ(bù)同于傳統計(jì)算(suàn)機(jī)₽♦，它的(de)所有(yǒu)運行(xíng)過程都(dōu₹↓✔)是(shì)可(kě)逆的(de)。
熱(rè)力學定律規定，任何有(yǒu)效的(d♦'×✔e)不(bù)可(kě)逆過程都(dōu)會(huì)伴随著(zhe≤♠)熵的(de)增加，但(dàn)可(kě)逆過程可(kě)使熵保持不‍₽♥®(bù)變，因此浪費(fèi)的(de)能(néng)量很(hěn)少(s‍≤hǎo)。如(rú)果可(kě)逆計(jìπα )算(suàn)機(jī)最終能(néng)夠成功運行(xín‍Ω✔βg)AI程序，那(nà)麽計(jì)算(suàn)機(jī)的(de®×∏)能(néng)耗将可(kě)大(dà)幅降低(≈Ω♦dī)。
然而，要(yào)造出可(kě)逆計(jì)算(suàn)機(jī)，需©≥♦要(yào)颠覆現(xiàn)有(yǒu)計(jì)算(suàn)理(lǐ)念¥≠，并從(cóng)根本上(shàng)革新£>∑芯片，程序員(yuán)也(yě)要(yΩ✔ào)接受一(yī)種完全違背直覺的(de¶↓ )全新程序設計(jì)理(lǐ)念。再以“與門(mén)&rdqu•♥o;為(wèi)例，輸入A和(hé)B—&₽λ±≤mdash;在傳統計(jì)算(suàn)機(jī)裡(€←↔←lǐ)，輸出A+B後，A和(hé)B就(jiù)會(huì)被删除；在可≈₹(kě)逆計(jì)算(suàn)機(jī)裡(lǐ)，它們将會©'✘(huì)存儲在某種記憶模塊裡(lǐ)，以避免耗費(fèi)能←↑π∞(néng)量去(qù)删除它們。
蘭道(dào)爾擔心，任何規避這(zhè)一(®​yī)能(néng)耗的(de)努力最終将導緻內(nèi)存不(bù)足↑×。但(dàn)研究人(rén)員(yuán♠φ)找到(dào)一(yī)種解決方法：要(yào)求每步計(jì↕α ‍)算(suàn)都(dōu)執行(xíng)兩次↓​，首先是(shì)正向運行(xíng)，然後再逆向。這(zhè•©')是(shì)因為(wèi)，一(yī)旦反向運行(xíng)相(xiàπ¶ng)同操作(zuò)，正向操作(zuò)中使用(yòng)的(✘↓©≈de)任何額外(wài)內(nèi)存都(dōu)會(hπ↑"‌uì)被釋放(fàng)。
表面看(kàn)來(lái)，重複運行(xíng)兩次意׶味著(zhe)計(jì)算(suàn)機(jī)的(de)能(néng)耗₽£會(huì)翻倍，但(dàn)事(shì)實并非如(rú)此。Ω★↓因為(wèi)無論是(shì)發出指令還(hái)是(shβ♠ì)數(shù)據運算(suàn)，都(dōu)不(bù)涉及數(shù‍§$)據信息的(de)删除，因此逆行(xíng)操作(zuò)不(bù)會(h'← εuì)産生(shēng)任何明(míng)顯可(kě)覺察∑←♣的(de)能(néng)耗。
可(kě)逆計(jì)算(suàn)機(jī)就↓☆☆π(jiù)以這(zhè)種方式巧妙利用(yòng)了("→>γle)熱(rè)力學原理(lǐ)。計(jì)算(suàn¥")機(jī)進行(xíng)的(de)任何操作(zuò)都(dōu)含有(→<•©yǒu)移動電(diàn)子(zǐ)這(zhè)一(y'‌&↓ī)物(wù)理(lǐ)學過程，而可(kě)逆計(jì)算(suàn)機(λ jī)移動電(diàn)子(zǐ)的(de)速度要(yào)比傳統計(jì)算 §"(suàn)機(jī)慢(màn)。也(↑✘¥​yě)就(jiù)是(shì)說(shuō)，如(¥¶•±rú)果将可(kě)逆計(jì)算(suàn)機(jī)γ♦♠看(kàn)作(zuò)是(shì)一(y∞♠ī)個(gè)物(wù)理(lǐ)學系統，由于來(lái)回移動的(de)λγ☆電(diàn)子(zǐ)較少(shǎo)，它就(jiù)不(bù)會(huìπλ"λ)因為(wèi)需要(yào)恢複熱(rè)力Ω♠學的(de)基本平衡态而耗費(fèi)大(dà)量能(néng)量。
芯片最早後年(nián)上(shàng)市(σ™<γshì)，關鍵在于軟硬件(jiàn)配合
其實，早在1973年(nián)，IBM的(de)查爾斯·±∏班尼特就(jiù)已證明(míng)，制<‍(zhì)造可(kě)執行(xíng)傳統®¶ 計(jì)算(suàn)機(jī)所有(yǒu)功能(néng)的(de±¥)可(kě)逆計(jì)算(suàn)機(jī)，在理(∞©₩ lǐ)論上(shàng)是(shì)可(kě)行(xínπ&π‍g)的(de)。可(kě)為(wèi)何我們會(hu☆™≈ì)一(yī)直囿于這(zhè)種低(dī)能(néng)效的(de)不(bù≠$π)可(kě)逆計(jì)算(suàn)機(jī)呢(ne)？ε↕←★答(dá)案很(hěn)簡單：傳統計(jì)算(suàn)機(jī)§♥₩÷叠代速度太快(kuài)，這(zhè)使可(kě)逆計(jì)算(s•<uàn)機(jī)很(hěn)難與其競争。
“我們不(bù)知(zhī)道(dào)可(kě)逆計(jì)算(✘ suàn)機(jī)節能(néng)的(de)極&λ限在哪裡(lǐ)，但(dàn)在理(lǐ)論上<γ(shàng)，哪怕節省上(shàng)千倍都(dōu)是(shì)有(y♠>→ǒu)可(kě)能(néng)的(de)。&rdqu€α→≤o;英國(guó)Vaire公司30多(duō)年(nián)前就(jiù)開✔φ(kāi)始了(le)可(kě)逆計(jì)算(suàn)機(jī)研發，γλ♣÷公司首席技(jì)術(shù)官兼聯合創始人(rén)漢娜&÷₽∑middot;厄利認為(wèi)，如(rú)今随著ε★×(zhe)AI帶來(lái)的(de)能(néng)源新挑戰，以及傳♣​¥×統計(jì)算(suàn)機(jī)的(de)叠代放(fλ₹àng)緩，可(kě)逆計(jì)算(suàn)機(jī)将迎來(l£≈★™ái)首個(gè)商業(yè)化(huà)機(jī)遇™♣₽。
據Vaire公司預計(jì)，可(kě)逆€©計(jì)算(suàn)機(jī)芯片最早2027年(ni>> án)可(kě)投入市(shì)場(chǎng)。不(bù)過¶π$§，要(yào)具備真正競争力，它不(bù)僅需要(yào)芯片，±₽↑還(hái)得(de)有(yǒu)計(jδσ•ì)算(suàn)機(jī)編程語言的(de)轉型配合。
加拿(ná)大(dà)麥克馬斯特大(dà)學的(de)雅克&☆•↑middot;卡雷特認為(wèi)，這(zhè)種邏輯上(shàng)完全可($←kě)逆的(de)計(jì)算(suàn)機(jī)語言，對(du​♦π>ì)于傳統軟件(jiàn)開(kāi)發人(rén)員(yuán)來¶☆(lái)說(shuō)是(shì)&ldquo∏♥ε✘;極不(bù)相(xiàng)容的(de)”，從(cónλ₩≈g)無到(dào)有(yǒu)創建一(yī)種全新的(de)★≈®計(jì)算(suàn)機(jī)語言将是(shì)一(yī)個"☆(gè)巨大(dà)挑戰。
Vaire團隊的(de)想法是(shì)，盡β×↔可(kě)能(néng)避開(kāi)這(zhè←←​)一(yī)難題，對(duì)傳統計(jì)算(suàn✘♥‍)機(jī)編程語言進行(xíng)改良。他(tā)們正在開(kāi)發一(¶‍☆yī)種無需開(kāi)發全新計(jì)算(suàn)機☆©(jī)語言的(de)界面，那(nà)樣計(j¥≈αì)算(suàn)機(jī)編程人(rén)員(yuán© ')也(yě)無需重新學習(xí)。
在硬件(jiàn)方面，研究人(rén)員(yu≤®↔​án)一(yī)直在改進一(yī)種名為(wèi)“諧振器(qì§')”的(de)部件(jiàn)。在芯片內(nèi)部，電(di♠ •àn)子(zǐ)在改進後的(de)諧振器(qε♦±✔ì)內(nèi)的(de)流動速度要(yào)比在傳統諧振器(​ ✘qì)內(nèi)慢(màn)得(de)多(duō)。電(diàn)子(zǐ¶↑€£)流動産生(shēng)電(diàn)信号，速度變慢(màn)可(kě)'"♠>讓計(jì)算(suàn)機(jī)不(bù)再“覺÷'λ察”到(dào)電(diànπ₩)子(zǐ)移動，計(jì)算(suàn)機(jī‌↓€)也(yě)就(jiù)不(bù)用(yòng) ↑ 為(wèi)恢複熱(rè)力學上(shàng)的(λ€>&de)平衡态而散熱(rè)，從(cóng)而避免能(nén≤σ>™g)源浪費(fèi)—&mdas☆¶h;這(zhè)對(duì)計(jì)算(suàn)πε→♣機(jī)逆向運行(xíng)的(de)成功非常關鍵。
厄利稱，Vaire公司已為(wèi)去(qù)年(nián₹✔♦)開(kāi)發的(de)一(yī)種諧振器(qì)申請(qǐng)了(le)¶α專利，它可(kě)讓公司開(kāi)發的(de)芯片更具↕•φ€實際應用(yòng)價值。
未來(lái)計(jì)算(suàn)空( εkōng)間(jiān)廣闊，新型芯片将迎井噴
“嘗試開(kāi)發新技(jì)術(shù₩©)來(lái)解決計(jì)算(suàn)機(jī)能(néng)耗☆↔問(wèn)題，是(shì)個(gè)了(le)不(b↑‌±‌ù)起的(de)想法，但(dàn)問(wèn)題是(shì)需要(™≈δyào)多(duō)久才能(néng)投入市(shì)場€↕‌(chǎng)，因為(wèi)計(jì)算(suàn)機(j$♦≥γī)造成的(de)能(néng)源危機(jī)已迫在眉睫。 ÷®”英國(guó)牛津大(dà)學的(de)戴維&λ‍σ middot;米頓指出，改進傳統計(jì)算(suàn)機∑ (jī)軟硬件(jiàn)的(de)工(gōng)作(≥↔λ☆zuò)已在加緊進行(xíng)中。
除了(le)投入可(kě)逆計(jì)算(suàn)機(j€>÷ī)芯片開(kāi)發的(de)Vaire公♥Ω♠司，不(bù)少(shǎo)初創公司還(há₩​®i)在開(kāi)發其他(tā)類型的(de)計(jì)算(suàn)機(jī¶↔)芯片。例如(rú)，美(měi)國(guó)初創公司♠ Normal公司的(de)芯片也(yě)利用(™©yòng)了(le)熱(rè)力學原理(lǐλ€)，不(bù)過其運行(xíng)方式并非可(kě)逆，而是(shì)↕✔σ™利用(yòng)芯片溫度自(zì)然發生(✔ shēng)的(de)波動現(xiàn)象來(lái​¥↓¶)運行(xíng)計(jì)算(suàn)機(jī)。由于計(jì)算(suε¥àn)機(jī)可(kě)在無需消耗能(néng)量的(de∑∑)情況下(xià)自(zì)然回歸熱(rè)力學平衡态，這(z¶<hè)款芯片擁有(yǒu)很(hěn)好(hǎo)的±♥(de)節能(néng)前景。
Normal公司的(de)加文(wén)·克魯克斯φβ₹稱，這(zhè)種芯片非常适合AI，如(rú)産生®®λ§(shēng)文(wén)本和(hé)圖像。項目開(kāi)展不(bù)到(♠π£♥dào)一(yī)年(nián)，該公司已生( ±σ↑shēng)産出首批芯片，現(xiàn)正在開(€↓kāi)發更先進的(de)硬件(jiàn)系統，并開(kāi)始創建軟件(jiβ✔àn)系統。
克魯克斯認為(wèi)，AI能(néng)源危機(j↓♣π×ī)已将非傳統計(jì)算(suàn)機(jī)的(de)發♠ ₩€展推到(dào)了(le)聚光(guāng)燈下(xià← £)，未來(lái)發展空(kōng)間(jiān)巨大(dà)，&φ∑δldquo;五年(nián)之內(nèi)，可(kě)能(nénδ←←"g)會(huì)迎來(lái)适合多(duō)種需求的(de)芯>₹☆£片開(kāi)發理(lǐ)念大(dà)爆發”。
據預測，各種專用(yòng)芯片的(deφ∞)井噴時(shí)刻即将到(dào)來(lái)&mdash★‌•;—它們之間(jiān)并非競争關系，而是(π≠shì)共生(shēng)共存，每一(yī)種新型芯片都(dōu)将←₩£找到(dào)各自(zì)獨特的(de)∏‍生(shēng)态位。不(bù)過，這(zhè)一(yī)切将是(shì) φ一(yī)條漫長(cháng)而艱難的(de)負重之路(l" ù)，不(bù)會(huì)一(yī)蹴">∑而就(jiù)。